基于MATLAB的太阳光源随动系统

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1、计算机控制技术课程设计说明书姓名:学号:指导老师:1•计算机控制系统课程设计题目内容：太阳光源跟踪系统利用伺服系统控制太阳电池帆板的移动,使具跟踪并始终垂直于太阳光线，最大程度地接受太阳能。太阳光源跟踪系统由感光器与检测线路和电机的功率放人器(可以简化视为一个增益放人环节)，太阳帆板(作为玄流力矩电机的负载，町以近似看作常值转动惯量加到电机轴上)，电机位置传感器(其输出与电机转角成正比的电压信号)和育流力矩电机组成。太阳光源跟踪系统如图1(a)所示。计算机控制系统方框图如图1(b)所示。试设计计算机控制系统，满足如下指标要求：(1)设计计算机控制系统的硬件系统：包

2、括控制器、输入输出接口、功率元件、执行机构、检测元件等。(2)设计数字控制器，满足如下要求：(1)超调最b%<15%；(2)上升时间<0.553-(3)调节时间r55c设采样周期Q0.1S(3)利用MATLAB仿真验证；(a)(b)1.建立系统模型该系统由电位器，运算放大器，功率放大器，电枢控制直流伺服电动机，测速发电机五个部分组成。2.建立数学模型分析题名可知，该系统是一个利用伺服系统來控制电机的转动，以控制太阳帆板的移动,是太阳光线始终垂直于帆板最大程度的接受太阳光。可以采用典型的反馈式控制系统，组成成分如图1-1给定值图1-

3、1控制系统方框原理图加上零阶保持器，将上图转化为控制系统方框图如图1-29r9图1-2控制系统方框图其中Z加于’被控对象普鬻2.1检测装置一-电机位置传感器测速发电机是用于测量角速度并将它转换成电压量的装置。在本控制系统中用的是永磁式直流测速发电机。如下图：u(t)O—测速发电机的转子与待测量的轴相连接，在电枢两端输出与转子角速度成正比的支流电压，即u(t)=Kt*w(t)=Kt——(式一)dt式中，&(/)是转子角位移；w⑴二d0(t)/dt是转子角速度；Kt是测速发电机输出斜率，表示单位角速度的输出电压。在零初始条件，对(式一)求拉氏变换可得支流测速发电机的传

4、递函数为G(S)二冬丄KtQ(s)或G(S)二弘。二Kt*sG)(s)方框图如下：KtU(s)£1(5)©(s)sKtU(s)2.2执行机构---电枢控制直流伺服电动机：电枢控制的直流侍服电动机在控制系统中被用作执行机构，用來対被控刈像的机械运动实现快速控制。电枢控制直流电动机的工作实质是将输入的电能转换为机械能，也就是由输入的电枢电压也⑴在电枢回路中产生电枢电流Ia(t),再由电流3⑴与激磁磁通相互作用产生电磁转矩从而拖动负载运动。其方框图如下：UiKmUoTmS+12.3功率放大器：本系统采用晶闸管整流装置，它包括触发电路和品闸管主回路。忽略品闸管控制电路的时

5、间滞后，其输入输出方程为：U°=K.xUt式屮K3为比例系数2.4运算放大器:本系统屮的运算放大器如下:2.5电位器电位器是一种把线形位移或角位移转换为电压量的装置。本系统电位器如下图所示:电位器的传递函数为G(S)二匕凹二K。，式中K。二—^―,是电刷单位角位移对应的输0(5)&max11!电压，称电位器传递函数，英中E电位器电源电压，厲亦是电位器最大工作角。电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度1.太阳光源跟踪系统的硬件系统选择控制器：工业控制机(IPC)输入输出接口：A/D模块、D/A模块功率元件：电机功率放大器，运算放大器执行机

6、构：电枢控制直流伺服电动机被控对象：电池帆板检测元件：永磁式直流测速发电机1.系统结构图，信号流图4.1系统结构图©i(S)4.2信号流图K2K3K®o(S)-11.数字控制器设计1s(s+q)含保持器的系统连续部分的开环传递函数为:•K对开坏函数Z变换得G(z)=K[(dT_]_旷刃)z+(1_厂丁-aT严丁)]cz2(z-l)(z-^wr)将a二29.6869;K二2x615.96;T=0・Is带入上式化简得根据数字控制器的要求，超调量<7%<15%；上升时间<0.555；调节时间ts

7、函数血）=D（z）G（z）=2•需（:;需1）静态速度误差系数心二lim*（z-lQ（z）

8、Z=I=2&23>5得k〉0・1613根据开环传递函数0（z）J管豊需1）可以得到其根轨迹方程为z+0.3941_(z-lXz+0.27)—1；kv=2.823R忍$利用MATLAB绘制出根轨迹图有:num=[l,0.3941];den二[1,-0.73,-0.27];axisCsquare")zgridCnew')rlocus(num,den)利用MATLAB的提供的函数:[k,p]=rlocfind(num,den)寻找主极点，并求出该点上的根轨迹增益K和极点P。求得改

9、点上的根轨