3 光源自动跟踪系统课程设计解答.docx

指导老师评定成果:审定成果:重庆邮电大学自动化学院自动限制原理课程设计报告设计题目：光源自动跟踪系统单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：*专业：*班级：*学号：*指导教师：*设计时间：20*年*月重庆邮电高校自动化学院制书目一题目3-模型建立与求解42.1限制系统结构42.2光源检测模型42.3直流电机模型5三.性能验证和参数设计63.1根轨迹设计及频域分析63.2时域检验与速度信号测试73.3检测电路设计8一.课程设计题目已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示，其中，电机凡=1.75；4=2.83xl0-3；匕=K叱表示转子旋转产生的电动势Kv=O.093;电机产生的电磁力矩T=KJ/,(=0.0924;电机及负载的转动惯量J=30xl(f692；阻力矩为=3*叱,其中8=5x10-3.电池帆板要求完成的主要任务：1、分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。2、系统跟踪阶跃响应的时间为0.5秒，超调量为小于5%,设计校正系统。3、分析当该系统跟踪太阳转动时的性能。4、设计光源检测放大装置，画出电路图并确定主要元件参数。二、模型建立与求解2.1限制系统结构依据检测、放大、电机三个模块，画出相应的限制结构图，如图2.I名豪器'图2限制系统图在这里，角度的输入和比较依靠物理的光线输入和检测以及系统结构布局来实现的.2.2光源检测系统模型该光源跟踪系统主要由光线检测电路，电机驱动放大器，直流伺服电机三个模块组成。两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否正对该跟踪系统。当光线满意入射条件时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度几乎相等，否则讲表明帆板偏向受辐射少的一边。两个感光器受到的辐射强度只差可以反馈给电机驱动器中，用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。设光敏元件产生的电压和光的正投射面积成正比,系数为k*,则：vl=rcos(600-)v2=k"cos(600+)v2-v=k"(COS(60°-一CoS(60°+。)=2Z*sin60°SinAe=JKsinA6=GSinA6*AAO即：帆板与阳光的偏角将产生成正比的电压差，经过放大后驱动电机转动.2.3直流伺服电机模块若他励直流电动机工作在恒定励磁状态，通过变更电枢电压U”进行转速调整。其工作原理图如下：图4.直流伺服电动机工作原理图律，电动机电枢回路的运动方程式为：1.a华+R"UMat(5)(6)设输入信号为电枢电压U,输出信号是电动机转角氏依据基尔霍夫电路定v,dVc=kva=k-at式中，1.a9Ra电枢绕组的电感和电阻;匕一一电动机的反电动势；k反电动势系数；coa电动机转速。由题目已知，电动机电磁转矩为T=k,ia(7)式中，尤为电动机的力矩系数。当电机空转时，其转矩平衡方程为T=J+B-(8)dt2dt式中，J电动机轴上的转动惯量；B阻尼系数。将式(1)(4)联立，消去中间变量。，得到：(9)J1.a竿+.+Bk哼+0B+3塔=卬将(5)式作拉氏变换，且令初始条件为0,得到：J1.aCe(三)+(JR.+B1.-R°B+k,k)sWs)=(U(三)(10)所以电动机的传递函数如下：(11)、一、O(三)勺G.(三)-G.(三)=zU(三)sJ1.as2+(JRa+B1.a)s+(RaB+kvkl)代入题目已知参数后，得到:GG)=108833953+710?+1813425(12)(4)开环传递函数依据图2.限制系统结构图，可以算出系统开环传递函数如下:C,、1088339A(13)Gn(三)=：+7152+1813425三、模型检验3.1 绘制根轨迹图和波得图依据其开环传递函数用matlab仿真，作出其闭环阶跃响应图，如图8.Root1.oCUSEditor(C)-600-400RealAxis-20002001.oopgainchangedto20Ooooooo604020204060一SI登BBe-图5开环根轨迹图102103W4Frequency(rad/sec)OoOoOoOo5O52246809382-1-112«一(mp)(Dpnyu6三(63P)gsud图6开环波德图可见,可以调整增益达到系统要求,由调整时间和超调量计算公式,当K取20时,可满意要求.验证：StepResponsegp2-dEQ图7单位阶跃响应图对于最终一问,当太阳移动时,角度为匀速度变更,输入为斜坡信号,因此,用速度信号激励系统,得:Thw2E图7单位速度信号的响应图可见，系统存在稳态误差，可由公式计算得，ess=1k=181342/21766780=0.0083.3.2 检测电路模块（参考）检测电路部分，采纳半桥差动结构，如图3。将两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，当光线在肯定范围变更时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度会不相同，且帆板偏向受辐射少的一边。差动结构用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。可见，该电桥的输出电压为(1)Ei(Sa2)1.(Sj+AS)+(S2-S2)R+R2试中，Sl为光敏电阻，ASl为光敏电阻变更量。取S=ASr2=为，为便于表达和计算，将光敏电阻变更量看成电阻阻值变更量。S1=S2=R1=R29则得到：UO=E处（2）R而且UO于AR呈线性关系，且电压灵敏度比单臂高了一倍，能有效削减误差。依据光敏电阻伏安特性，如图4图4.光敏电阻伏安特性图可见=（伍为输入光源与帆板夹角）代入（2）式得到依据光敏电阻伏安特性曲线，作光敏电阻阻值与偏转角度（R-4）对应关系图，如下:图5.光敏电阻阻值与偏转角关系依据图形可以看出当偏角为O度时，即光敏电阻没有接受到光源时，电阻R=2AO;当偏角为60度，即光源垂直照耀该系统时，电阻R=IAO。所以公式(3)中，取电源电压E=30V,从图5得到&=10()。所以G,(三)=4=302.驱动电压放大模块为便于计算，这里采纳同相比例放大器。如图6。图6.驱动放大电路同相比例放大电路放大倍数关系如下：选凡=80AQ,R3TOZC则有匕=9。设起传递函数为G3(三),则有G3G)=k=9