自控原理课程设计.pdf
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1、学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 用 MATLAB 语言分析和设计计算机磁盘驱动 系统 姓名 学院信息与电气工程学院 专业电气工程及其自动化 年级2012 学号 指导教师 2014 年 12 月 21 日 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 课程设计任务书 设计题目:用 MATLAB 语言分析和设计计算机磁盘驱动系统 1设计目的 (1)培养学生文献检索的能力,特别是如何利用Internet 检索需要的文献资料。 (2)培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 (3)培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 (4)提高学生课程设计报告撰写
2、水平。 2性能指标要求 (1)原始数据 磁盘驱动读取系统典型参数 参数符号典型值 臂与磁头的转动惯量 J 1 (N m s 2/rad) 摩擦系数 f 20( Nm s/rad) 放大器增益 a K 101000 电枢电阻 R 1( ) 电机传递系数 m K 5(Nm/A) 电枢电感 L 1(mH) (2)性能指标 磁头位置精度要求为1 微米(对单位阶跃输入稳态误差为0) ,磁头由磁道a 移动到磁道b 的时间小于50ms(调节时间ts),单位阶跃响应的超调量小于 5%, 。 3.设计内容 未校正系统的要求: (1)了解计算机磁盘驱动系统的工作原理并建立其数学模型。 (2)编写 M 文件作出系统
3、的单位阶跃响应,并得到性能指标。 (3)用根轨迹法分析开环增益变化对系统性能的影响。 (4)给出系统的开环传函的bode 图,利用频域方法分析系统的频域性能指标(相角 裕度和幅值裕度) 对校正系统的要求: 根据系统性能指标的要求,对计算机磁盘驱动系统进行设计,选择 2 种方法对系统进行校正, 并比较这两种方法有什么特点。(有一种方法达到性能指标即可) (1)确定需采用的校正方式,画出校正装置的结构图,分析所采用的校正类型的理由。 (2)确定校正装置传递函数的参数。 (3)画出校正后的系统bode 图,并求出截止角频率、相角裕度和幅值裕度等性能指标。 (4)做出系统的单位阶跃响应曲线,并求出其性
4、能指标(超调量、调节时间)。 (5)在 SIMULINK中建立系统的仿真模型,在前向通道中分别接入饱和非线性环节和 回环非线性环节,观察分析非线性环节对系统性能的影响。 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 目录 1 引言 4 2 系统原理 4 2.1 工作原理 4 2.2 结构原理 5 3 系统建模 6 4 系统分析 8 4 .1 开环增益变化对系统性能的影响. 8 4 .2 频域性能指标 . 10 5 校正分析 11 5.1 PD 校正分析 . 11 5.2 超前校正分析 . 14 6 心得体会 17 7 参考文献 18 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 信息与电气工程学院本科生课
5、程设计论文 (信息与电气工程学院,电气工程及其自动化专业,2012 级 1 班 4) 摘要: 磁盘驱动器是计算机最重要的外部存储设备,广泛用于各类计算机 中,本文对传统的模型进行了理论仿真分析。提出磁盘驱动读取系统的方案,是 为了适应硬盘驱动器空间狭小、 功耗要求小以及保持轴承等需求设计,基于控制 系统不仅对研究磁盘系统有意义,对其他系统的研究也有重要作用。 用 MATLAB 软件设计线性控制系统的设计,使系统的设计简洁,并可以根 据仿真结果分析发现控制系统存在的问题,确定系统参数, 以便于快速做出对系 统方案的修改。 使我们在科研生产领域获得更可靠的研究设计,节约了设计科研 的成本。 关键词
6、: 磁盘驱动器;线性控制系统;控制器 1 引言 磁盘驱动器作为一种存储数据信息的设备,在目前的计算机系统中起着不可 替代的作用。 现如今,硬盘技术发展日趋成熟, 读写磁头的定位控制又是核心技 术。磁盘可以方便有效的储存信息。 磁盘驱动器则广泛用于从便携式计算机到大 型计算机等各类计算机中。 磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准确定位,以 便正确读取磁盘磁道上的信息。 要精确控制的变量是磁头 (安装在一个滑动簧片 上)的位置。磁盘旋转速度在 1800-7200r/min之间,磁头在磁盘上方不到100nm 的地方“飞行”,位置精度指标初步定为1 m;如有可能,我们还要进一步做到 使磁头由磁道 a
7、移动到磁道 b 的时间小于 50ms ,该闭环系统利用电机驱动磁头 臂到达预期的位置。 2 系统原理 2.1工作原理 磁盘驱动器的工作原理: 硬盘可以读取和写入保存数据, 写入数据实际上是 通过磁头对硬盘片表面的可磁化单元进行磁化,硬盘是将二进制的数字信号以环 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 状同心圆轨迹的形式, 一圈一圈地记录涂有磁介质的高速旋转的盘面上。读取数 据时,只需要把磁头移到相应的位置读取此处的磁化编码状态即可。 2.2结构原理 内部结构由磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成,其中磁头、盘 片组件是构成硬盘的核心,它封装在硬盘的净化腔体内,包括有浮动磁头组件、 磁头驱
8、动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几部分。图2.1 磁盘 驱动器结构示意图。 转轴 磁头滑片 臂的转动 支撑臂 激励电机 磁道a 磁道b 图 2.1 磁盘驱动器结构示意图。 磁盘驱动读取系统采用永磁直流电机驱动读取手臂的转动。磁头安装在一个 与手臂相连的簧片上,它读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号提供给放大 器,簧片(弹性金属制成)保证磁头以小于100nm 的间隙悬浮于磁盘之上。图 2.2 磁头安装结构图。 电机 电机 手臂 手臂 簧片 簧片 磁头 磁头 图 2.2 磁头安装结构图。 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 3 系统建模 控制目标:磁头位置精度、磁头由磁道 a移动
9、到b的时间 控制变量:单位阶跃输入稳态误差、调节时间、超调量 控制要求:稳态误差 0 调节时间ts50ms 超调量5%, 确定系统结构,选择执行机构 建立对象、执行机构和传感器模型 建立控制器模型,选择关键待调参数 优化系统参数,分析系统性能 若性能满足规范要求,则设计结束 若性能不 能满足规 范要求 图 3.1 控制系统设计过程 1.磁盘驱动系统的基本设计目标:是尽可能将磁头准确定位在指定的磁道上,并 且使磁头从磁道a 转移到磁道 b 所花的时间不超过50ms。现在,我们将完成设 计流程(图 3.1)的第 4、5 步。首先应选定执行机构、传感器和控制器,然后建 立控制对象和传感器等元部件的模
10、型。图3.2 磁盘驱动器读取系统初步方案。 控制装置执行电极和臂 传感器 偏差 实际磁 头位置 预期磁 头位置 + - 图 3.2 磁盘驱动器读取系统初步方案 2.偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制的索引磁道时产生的。我们假定磁头足 够精确,传感器环节的传递函数为( )1H s;作为足够精确的近似,我们用电枢 控制直流电机模型(0 b K)来对永磁直流电机建模;此外,图中也给出了线性 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 放 大 器 的 模 型 ; 在此 假 定 簧 片 是 完 全 刚 性 的 , 不 会 出现 明 显 的 弯 曲 。 放大器 执行机构和读取臂 直流电机和手臂 传感器 磁头和
11、索引磁道 实际磁 头位置 预期磁 头位置 + - 偏差输入电压 放大器 电机和手臂 传感器 + - ( )R s ( )E s( )V s ( )Y s ( )1H s ( )G s ( ) ()() m K G s s JsfLsR a K (b) (a) 控制装置 图 3.3 磁盘驱动读取系统系统框图 电枢 电枢 m aa K RL s ( ) m Ts( ) L Ts1 Jsf 1 s ( )s b K ( ) a V s ( ) d Ts + + - - + + - - 扰动 扰动 ( ) s 速度 速度 位置 位置 反向感应电压 反向感应电压 图 3.4 电枢控制直流电机框图 3.由
12、磁盘驱动读取系统典型参数表,可以得出: 5000 ( ) ()()(20)(1000) m K G s s JsfLsfs ss 其中 /50 s L Jb,/1 sLR。由于 L,因此常被略去不计,因此 有: /0.25 ( ) (1)(0.051) m L KbR G s ssss ,或 5 ( ) (20) G s s s 4.利用框图变换化简规则,可以得出 ( )( ) ( )1( ) a a K G sY s R sK G s 5.利用( )G s的二阶近似表示,可以得出 2 5( ) ( )205 a a KY s R sssK ,当40 a K时,最 学习资料收集于网络,仅供参考
13、 学习资料 后可得: 2 200 ( )( ) 20200 Y sR s ss 使用 matlab的函数 step, 1 ( )R s s 时,可以得到系统的单位阶跃响应。 G=zpk(,0 -20 -1000,5000); Ka=40; sys=feedback(Ka*G ,1); t=0:0.001:1.2; step(sys,t); grid; axis(0,1.2,0,1.2) Step Response Time (sec) A m p lit u d e 00.20.40.60.811.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 System: sys Time (sec): 0.
14、71 Amplitude: 0.999 System: sys Time (sec): 0.0547 Amplitude: 0.2 System: sys Time (sec): 0.301 Amplitude: 1.05 System: sys Time (sec): 0.145 Amplitude: 0.737 图 3.5 系统阶跃响应 4 系统分析 4 .1 开环增益变化对系统性能的影响 磁盘驱动器必须保证磁头的精确位置,并减小参数变化和外部振动对磁头定 位造成的影响。 机械臂和支撑簧片将在外部振动的频率点上产生共振。对驱动器 产生的干扰包括物理振动、 磁盘转轴轴承的磨损和摆动, 以及元
15、器件老化引起的 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 参数变化等。 磁盘驱动器对干扰和参数变化的响应特性,调整放大器增益 a K时, 系统对阶跃指令的瞬态响应和稳态误差。 放大器 传感器 实际磁 头位置 预期磁 头位置 + - 误差 + - ( )Rs( )Y s a K ( )V s m K R Ls 线圈载荷 1 ()sJs f ( ) 1H s ( )D s 干扰 图 4.1 磁盘驱动器磁头控制系统 + - + - ( )R s ( )Y sa K 线圈负载 ( )D s 干扰 ( )E s 1 5000 ( ) 1000 G s s 1 1 ( ) (20) G s s s 图 4.
16、2 典型参数的磁盘驱动器磁头控制系统 当输入为单位阶跃信号( )1/R ss, 干扰为( )0D s时, 系统内部的稳态误差。 当( )1H s时 ,可 以 得 出 : 12 1 ( )( ) 1( )( ) a E sR s K Gs Gs , 于 是 0 12 11 lim( )lim 0 1( )( ) ts a e ts K G s Gss 。即系统对单位阶跃输入的稳态跟踪误差为 零,这个结论不会随着系统参数的改变而改变。 当 D(s)=0,R(s)=1 时,有 )(2)(11 )(2)( 1 )( )( sGsKaG sGsKaG sR sY 系统的开环传递函数为 )20)(1000
17、( 5000 )(2)(1 sss Ka sGsKaG 学习资料收集于网络,仅供参考 学习资料 Root Locus Real Axis Im a g in a r y A x is -3000-2500-2000-1500-1000-50005001000 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 System: sys Gain: 0 Pole: -1e+003 Damping: 1 Overshoot (%): 0 Frequency (rad/sec): 1e+003 System: sys Gain: 38.8 Pole: -19 Dam
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