控制工程基础教案,河南科技大学,机电工程学院,仲志丹

2012/11/27

Automatic control

Lecture 8: Control System Design

设计目标

控制器设计实例 单轴螺旋桨悬浮系统 设计一个自动控制系统，自动控制螺旋桨转速产生合适的升力，使木杆悬浮在指定角度。要求： 仲志丹 Johnsonzzd@gmail.com机械电子工程教研室 1.稳定。在外界扰动的情况下仍能正常工作； 2.准确。尽量小的稳态误差； 3.快速。快速运动到设定角度；

Automatic control

Lecture 8: Control System Design

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Lecture 8: Control System Design

构造负反馈控制回路

杆数学模型 f m1 0.1 Kg m2 0.07 Kg

系统运动方程遵循

m1 g I M

m2 g

l 0.45 m

1 1 2 2 m1l m2l fl m1 g l cos m2 gl cos 2 3 在水平位置时 cos 1则系统转动方程线性化为

1 2 1 2 m1l m2l fl m1 gl m2 gl 3 2

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Lecture 8: Control System Design

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Lecture 8: Control System Design

螺旋桨数学模型 1045螺旋桨直径：10英寸螺矩：4.5英寸

电机数学模型

螺旋桨拉力f和空气相对速度平方成正比。空气流速与螺旋桨转速n成正比： 2

f Kmn

Km是和旋桨直径平方成正比的一个系数。查得参数：180转/秒时拉力0.8Kg,则有

好盈40A电机驱动器(电调)

朗宇V2216KV900无刷电机

K m 9.8*0.8/ 1802 0.00024牛/(转/秒) 设杆平衡时，螺旋桨转速为n0,此时拉力与重力平衡。在平衡点处线性化，去除高阶平方项

控制器向电调发出转速信号，电调控制电机旋转。控制器给电机发送的控制量u是脉宽信号，有效宽度为1000—2000us,对应转速0—180转/秒。同时认为脉宽和转速之间是一阶惯性环节，时间常数通过实验确定为1s,则有

f K m n 2 K m (n0 n) 2 K m (n0 2 2n0 n n 2 ) K m n0 2 K m n0 n 2

N ( s ) 0.18 U (s) s 1