源跟踪伺服系统的仿真与分析

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1、学号108010115姓名黄思姬课程名称：《机电系统分析基础》（2）指导教师：陈荷娟光源跟踪伺服系统的仿真与分析摘要计算机仿真研究是控制系统设计必不可少的环节之一。对控制系统进行仿真研究可以减少很多不必要的劳动，提高工作效率和缩短研发周期，利用系统仿真可以方便地修正控制器结构和控制参数，以实现希望的动、静态特性，为实际系统设计提供参考依据。仿真的主要过程是:建立模型、仿真运行和分析研究结果。本章对光源跟踪伺服系统采用PID控制器校正前后进行仿真分析，并对、、分别变化时对三种算法的阶跃响应曲线进行了比较。仿真实验应用的是MathWorks公司推出的MATLAB软件。MATLAB

2、是一种面向科学和工程计算的高级语言，现已成为国际公认的最优秀的科技届应用软件，在世界范围内广为流行和使用。它的特点是集科学计算、数据分析、图像和信息处理于一体，编程效率极高。SIMULINK模块是MATLAB的一个重要组成部分可用来对动态系统进行建模、仿真和分析，操作方便、直观，是系统分析的理想工具。本文的仿真实验是在MATLAB7.0的环境下进行的。关键词：模糊自整定；比例积分微分控制；光源跟踪系统1引言随着人类社会向前飞速发展，世界各国日益重视环境及可持续发展，而太阳能的开发利用已成为人类社会发展的焦点，如何更加高效合理地利用太阳能就成为我们所面临的一个挑战。太阳跟踪系统

3、就是通过改变入射光线照射角度，尽可能使光线垂直照射太阳能电池帆板，从而有效地提高太阳光线的利用效率。本文研究的是一种模拟太阳电池帆板移动的光源跟踪伺服系统。2光源跟踪伺服系统简介光源跟踪伺服系统[1]主要由永磁体直流电机、光线检测电路和电机驱动放大器等部分组成，其工作原理如图2-1所示。两个感光器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否垂直射向电池帆板。两个感光器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否垂直射向电池帆板。当光线满足垂直入射条件时，两个感光器受到的光辐射强度大致相同，此时电机不转动。当入射光方向与电池板垂直方向有夹角时，两个感光器受到的光辐射强度之差反馈到电机中，用来作

4、为驱动电机的偏差信号，驱动电机转动，使帆板偏向受辐射少的那一边，直至两个感光器的光辐射强度相同。第11页共11页学号108010115姓名黄思姬课程名称：《机电系统分析基础》（2）指导教师：陈荷娟图2-1光源跟踪伺服系统工作原理图3光源跟踪伺服系统数学模型的建立整个系统的传递函数是根据检测电路、功率放大器和驱动电机的传递函数综合得来的[2]。（1）检测电路和功率放大器可以视为增益环节,这里的单位为。（2）驱动电路采用永磁体直流电机。电机输出的转速对总的输入之间的传递函数为：（3-1）式中：—转子旋转的角速度；—电机驱动电压；—转子绕组的等效电感；—转子绕组的等效电阻；—是由永

5、磁体的磁通密度、转子绕组的数目以及铁芯的物理性质决定的力矩常数；—转子和电机负载的转动惯量；—整个机械旋转系统的阻尼常数；—是由永磁体的磁通密度、转子绕组的数目以及铁芯的物理性质决定的速度常数。根据以上讨论可以创建出该伺服系统的频域方框图，如图3-1所示。第11页共11页学号108010115姓名黄思姬课程名称：《机电系统分析基础》（2）指导教师：陈荷娟图3-1光源跟踪伺服系统的频域方框图根据图3-1，可得整个系统的传递函数：（3-2）4系统仿真根据实际情况设置•检测电路和功率放大器可以视作增益环节=25；•驱动电机的参数：转子的等效电感；转子的等效电阻；速度常数；力矩常数；

6、•机械系统参数：转子和电机负载的转动惯量；阻尼系数。将实验数据代入（3-1）式，在Matlab中仿真可以得到：图4-1Matlab中仿真结构图第11页共11页学号108010115姓名黄思姬课程名称：《机电系统分析基础》（2）指导教师：陈荷娟图4-3Matlab中仿真曲线5PID控制器参数取值根据齐格勒-尼柯尔法则，由前面学者优化的结果[4]，，。由Ziegler-Nichols整定公式[5]，如表5-1所示。表5-1Ziegler-Nichols整定公式控制器类型由阶跃响应整定由频域响应整定P1/a0.5KcPI0.9/a3L0.4Kc0.8TcPID1.2/a2LL/20

7、.6Kc0.5Tc0.12Tc>>num=25*1.088e6;den=[17852043000];G=tf(num,den);%对象模型输入N=10;K=110;T=1.2;L=0.25;第11页共11页学号108010115姓名黄思姬课程名称：《机电系统分析基础》（2）指导教师：陈荷娟a=K*L/T;Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=0.5*L;G1=Kp*(1+tf(1,[Ti0]));[Kp,Ti,Td]%PID控制器ans=0.05240.50000.1250由此设计的PID控制器的模型为