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1 摄像机角位置随动系统设计

图2-1 摄像机角位置随动原理图
原理分析:控制系统的任务是使摄像机自动跟踪光点显示器指示的方向。当摄像机方向角与光点显示器指示的方向一致时,,自整角机输出,交流放大器输出电压,电动机静止,摄像机保持原来的协调方向。当光点显示器转过一个角度,时,自整角机输出与失谐角成比例的电压信号(其大小、极性反映了失谐角的幅值和方向),经电位器后变成,经放大器放大后驱动伺服电动机旋转,并通过减速器带动摄像机跟踪光点显示器的指向,使偏差减小,直到摄像机与光点显示器指向重新达到一致时为止。测速发电机测量电动机转速,进行速度反馈,用以改善系统性能。

图2-2摄像机角位置随动系统方块图
根据系统的方块图得到:
输入的角位置,由控制输入信号确定,角位置就是系统的参考输入量,输出的角位置,由输出轴的位置确定。
电位差就是误差信号。桥式电位器的传递系数(=)
该信号被增益常数为的放大器放大,(应具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗,
=100)
放大器的输出电压作用到直流电动机的电枢电路上。
电动机激磁绕组上加有固定电压。
如果出现误差信号,电动机就产生力矩以转动输出负载,并使误差信号减少到零。
(3)当激磁电流固定时,电动机产生的力矩(电磁转距)为:
写成拉式变换的形式
其中:电动机的转矩系数(=),为电枢电流(=)
对于电枢电路

电动机电枢绕组的电感和电阻。
电动机的反电势常数(=),电动机的轴的角位移。
电动机的力矩平衡方程为:

J:为电动机负载和齿轮传动装置,折合到电动机轴上的组合转动惯量。
f:为电动机负载和齿轮传动装置,折合到电动机轴上的粘性摩擦系数。
写成拉式变换的形式
由以上的分析得到系统的结构图
图2-3摄像机角位置随动系统结构方块图
根据图2-3,可以求系统出的开环传递函数,反馈回路传递函数为1。

如果略去电枢电感
其中:=*100*/(*4)= 称为增益
=-+(*)/=,F称为阻尼系数,由于电动机反电势的存在,增大了系统的粘性摩擦。
令:=30,K为开环增益。
机电时间常数(=)
那么,不考虑负载力矩的情况下,随动系统的开环传递函数可以简化为:

相应的闭环传递函数
=
所以摄像机角位置随动系统在简化的情况下是一个二阶系统。
2 系统稳定性与性能的分析

系统的闭环传函为
=
则特征方程为
=0
根据劳斯判据得出系统稳定。

二阶系统标准闭环传函为
所以=900,=50,得出,=,=
上升时间:=
峰值时间:=
调节时间:=
超调量:%=100%=%
3 摄像机角位置随动系统的根轨迹分析

根轨迹方程为1+G(s)=0,即,
开环传函为
①n=2,m=0,有两条根轨迹分枝;
②根轨迹起始于开环极点=0,=-50,终止于无穷零点;
③分离点方程:,解得分离点坐标为(-25,0)
④分离角=
⑤作系统根轨迹如图3-1所示
图 3-1 根轨迹图像
4 摄像机角位置随动系统的频域分析

系统开环传函为
令得
当时,;当时,
同理得到的角度。
最后,得到系统幅相特性曲线,如下图
图 4-1幅相特性曲线

根据于对数幅频特性曲线的绘制方法,得到如4-2图的对数幅频特性曲线
图 4-2对数幅频特性曲线
并分析得到如图4-3对数相频特性曲线
图4-3对数相频特性曲线
5 摄像机角位置随动系统校正设计

在分析和设计自动控制系统时,需要有一个评价系统优劣的标准,、工作方式和控制任务对系统的性能要求往往有所不同,但其基本要求均体现在稳定性、动态特性和稳态特性3 个方面。如对小功率随动系统的要求为:(1)系统稳定;
(2)动态特性,如过渡过程时间、超调量、上升时间等满足系统性能要求;
(3)输出跟随输入变化,即输出与输入之间的差值必须小于稳态误差要求.。当现有系统的性能指标符合系统期望要求时,则不需要对系统进行修正设计;只有当现有系统的性能指标不符合系统期望要求时,才需要对系统进行校正来提高和改善系统的性能指标. 常用的方法是在系统中引入合适的附加装置——校正装置。
具体有以下几种。
(1)超前校正装置: 其传递函数中的分子项微分因子时间常数