自动控制原理课程设计

房屋自动采光系统的设计

专业： 电气工程与自动化

班级： 电气———班

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房屋自动采光系统

一、概述

北方宿舍或住宅大多为东西走向，而且分阴面和阳面。阴面常年没有阳光，对人们的生活不利，特别是在冬天时没有阳光，室内阴冷，需要更多供暖。本设计可自动将阳光反射到到阴面室内，提高居住条件并可为节能环保作出贡献。

这是一种利用太阳光跟踪装置，就象向日葵跟踪太阳一样，通过镜面把太阳光线从不同角度反射于设定的方向，达到对太阳光线有效利用的目的。将本实用新型太阳能采光镜应用在各种楼寓建筑等场所，可大大提高对太阳能的利用率，改善室内光照效果，延长光照时间，同时节约照明用电。本实用新型太阳能采光镜由五部分组成，即：镜面、纵向驱动系统、横向驱动系统、探头电路驱动系统、支撑底座系统。当光敏探头感受到光源即通过传感电路将电信号传送到纵向、横向驱动系统的驱动电动机，电动机随之启动并自动调节探头跟踪太阳，通过纵向、横向驱动齿轮系统使镜面自动调节光线的入射和反射角度，将光线从不同角度反射到设定的方向。

二、结构原理

一、系统组成

自动采光系统由角度传感器、电压比较放大器、功率放大器、放大校正装置、执行电机、减速器、平面镜四部分组成，示意图如下：

图一

二、系统工作原理

采光系统工作原理比较简单，就是将阳光通过平面镜反射到设定的地方，但是由于太阳的位置不是固定不变的，阳光射到平面镜的角度是随时间而变化的，要想把光反射到固定位置就必须准确检测出阳光入射角弃并根据此角度确定平面镜的位置。本系统的主要任务就是检测阳光角度，调整镜面位置。

不妨将平面镜设在宿舍正对面的下上方某处，用传感器检测出射到镜面的阳光与沿宿舍楼东行方向所成角θ1，并检测出入射光线与对应参考线（房间窗口中心与镜面中心的连线，设其与铅垂线夹角为θ3）之间的夹角θ2。将检测所得信号转化为电压信号，使电动机驱动平面镜，使之处于东西方向上垂直于θ1角平分线所对应线，上下方向上垂直于θ2角平分线所对应线。既可使反射光照在对应窗口上。

北

西 东

θ1 南 θ1角平分线

图二

宿舍 图二 平面镜 太阳

θ2角平分线 θ2 宿舍 θ3

图三

定义宿舍楼东西行方向为横向，上下方向为纵向，设平面镜初始位置为横向垂直。图

二和图三分别为横向和纵向阳光射在镜面角度示意图。

三、系统的数学模型的建立

一、获取阳光角度环节

阳光射到镜面中心的角度由探头驱动电路完成，获取横向的θ1角和纵向的θ2角，最终转化为镜面横向需转过的角度α=（θ1 - 90°）/2，纵向需要转过的角度β=θ3-（90°-θ1/2），镜面初始位置为平行于窗宿舍楼东面走向，坚直向下，俯视镜面，横向上的转动以顺时针旋转的角度为正，逆时针旋转角度为负。由于本环节检测和转换过程较复杂，而我们所学知识有限，不作具体介绍。

二、角度转化电压环节

伺服电位器

在小功率随动系统中,采用的伺服电位器是WDD35精密导电塑料电位器。WDD35系列电位器外形与普通电位器相似，但具备连续旋转功能，常在显示记录中使用，其滑动端与导电塑料接触，实现角度—电压的变换。

如前所述旋转伺服电位器在随动系统中完成角度—电压变换，是一个比例环节，其系数Kr可由测得的旋转角度（单位：弧度）—输出电压拟合直线的斜率求出。

下表给出了伺服电位器的主要技术指标。

表一 WDD35D—1型电位器主要技术指标

标准阻值 电阻公差（%） 独立线性度（%） 理论电旋转角 输出平滑性（%） 1 启动力矩（mN*m） 介质耐压（V） 分辨率 机械转角（） 旋转负荷寿命（圈） 1 15 0．5 3452 500 理论上无穷小 360（连续） 50106 0.05 采用伺服电位器将角度转化为对应电压。最常用的伺服电位器是接触式电阴变换器，或称为电阻式位移变换器。电位器有转动式和直线位移式两种，分别用于测量角位移和直线位移。实际应用中，通常将两个电位器并联构成桥式电路，用相同的电压供电，两滑动端之间的电压Urp与输入位移、输出位移之差成正比，这样就可测量出随动系统位移误差

的大小，如图四所示。电位器的滑动端固定在转轴上，其中，和指令轴相联的称为发送电位器RPT，和输出轴相联的称为接收电位器RPR。

RPT RPT Urp Us

α

图四

Δα

伺服电位器作位置检测元件，其线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源简单且价格便宜、使用方便。缺点是位移范围有限，测量精度不高，容易磨损而造成接触不良。所以，电位器一般只用于测量精度要求不高、位移范围有限的系统中。

三、功率放大环节

常用的直流功率放大器有三种：集成功率放大器、脉宽调制功率放大器和晶闸管功率放大器。

集成功率放大器

LM1875集成功率放大器是美国国家半导体器体公司生产的音频功放电路，采用5脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路在25V电源电压、RL=4时可提供20W的输出功率，最大功率达30W。通过内部补偿电路，其增益能够在10以上保持稳定。LM1875内置了短路保护、超温保护、输出保护等多种保护电路，具有体积小、输出功率大、失真小、外围电路简单等特点。

脉宽调制功率放大器是一个电压—脉冲变换装置，其PWM波开信号经过功率放大输出以驱动直流电机，实现调速控制的随动系统中，由于开关频率远高于电机频带，靠电枢的滤波作用，脉冲交流并不会对直流电机造成影响。PWM还具有独特的“动力润滑”作用，可使电机的低速平滑、换向性好。此外，PWM控制的系统还具有线路简单、功耗小、频带宽、动态抗干扰性好等优点。

晶闸管相控整流器和脉宽调制功率放大器都可以看成是一个滞扣环节，通常可以简化为惯性环节，传递函数为

Ud(s)KD Uct(s)Tds1 IN 1 +VCC +24V

+ LM1875 2OUT

2.5 k - -VCC –24V 10k 10pF 图五 LM1875集成功率放大器 四、 执行电机

执行电机有很种，应跟据系统类型、功率、外形等要求进行合理选择。对于力矩电机，电磁时间常数Te通常很小，可以忽略，电机的简化传递函数为

Km(s) Ud(s)Tms1 ①

式中，ω为电机转速，Km是电机增益常数，Tm是电机时间常数。 若以角度为输出，传递函数为



(s)Ud(s)Km

s(Tms1)直流力矩电机

永磁直流力矩电机能经工作大堵转或低速状态，因此常在位置或低速随动系统中作为执行元件。此类电机通常具有高的力矩惯量比，加速性能好；可直接耦合传动，省去齿轮传动链，消除了齿隙误差，提高了系统精度；反应速度快，线性度好，结构紧凑。

为使测量和计算简便，以电机 的转速为输出量，即采用式①的传递函数，确定电机的时间常数Tm电机增益常数Km。

执行部了件采用SYL-5永磁式直流力矩电动机，技术参数如表二所示。

表二 SYL-5永磁式直流力矩电动机技术参数

连续堵转力矩（N*m） 连续堵转电压（V） 空载转速（r/min） 电机常数N*m/W 反电势系数（V*min/r） 电磁时间常数（ms） 0．49 20 500 79.4910-3 0.0286 2.4 连续堵转电流（A） 转矩波动系数（%） 静摩擦力矩（N*m） 转矩灵敏度（N*m/A） 电枢电阻（） 电枢转动惯量（kg*m2） 1．8 10 0.098 0.2722 1310% 21．5810-5 综合以上各个环节，得到系统的结构原理图如下：

伺服电位器 功率放大器 执行电机 减速器 负载  - 测量装置 图六

系统方框图为

 图七

 Kr- KDTds1Kms(Tms1)Kj 不考虑校正环节，横向驱动系统开环传递函数为

G(S)K ② s(Tm1)式中，KKrKj。 系统的根轨迹图为:

图八

j 1Tm0 1 2Tm

同理，纵向驱动系统原理与上述过程相同。

四、 系统分析与校正

由前面对系统元部件的模式型分析，可以得出小功率位置随动系统的数学模型，由于发送和接收电位器参数相同，因此将其视为一个传感器环节并将模型建立在前向通道中，使闭环系统等效为单位负反馈的形式。

由系统传递函数的形式可见本系统为I型系统，在位置输入下的稳态误差为零，由于模型误差等的影响，实际系统仍会有一下的静态偏差。

1、串联校正

由前面的分析可知，被控对是I型系统，可以采用串联的超前校正或滞后—超前校正。 2、反馈校正

位置随动系统采用串联校正设计，能够实现基本的动、静态特性要求。但是这种采用PID校正的单位置环随动系统在实际运行过程式中，不能很好地抑制摩擦、间隙等非线性因素或负载扰动带来的干扰。当非线性因素或负载较大的情况下，可以采取反馈校正方法以弥补串联校正的不足。

⑴测速反馈校正

通过将输出的速度信号反馈到系统的输入端，并与误差信号相比较，就构成了速度反馈，采用测速电机的负反馈校正环节如图八所示。为使测速反馈参数可调节器，在测速电机输出端设置了分压电路。由于直流测速电机的输出电压一般存在高次谐波分量，在实际使用中通常在其输出端加入滤波电路。测速反馈环节的传递函数为

Hg(s)Un(s)Kg (s)式中,Kg是分压后的测速电机等效输出斜率。

于是，采用测速反馈校正后的系统开环传递函数为

G1(s)K1 ③ 1KmKgTmss11KKmg

图九

GUn 与未校正前的系统传递函数式②比较可以看出，进行负反馈速度校正后，可以减小系统的惯性作用，即提高电机的响应速度，而不会影响闭环系统的极点，但会使系统的开环增益减小。对于角度位置输出来说，测速反馈的效果与比例—微分串联校正相似，可以增大系统工程的阻尼，改善系统动态性能。

⑵速度—微分校正

这种方法在转速反馈的基础上增加了微分网络，可以克服转速反馈校正会使增益减小而影响稳态精度的缺点，在位置随动系统中较为常用。采用转速微分负反馈校正环节如图九所示。

图十

G R Un 测速微分反馈环节的传递函数为

Hg(s)Un(s)TsKgc (s)Tcs1式中，Tc=RC，由于无源网络不能实现纯微分，因此在测速反馈环节的传递函数分母上附带了一个寄生因子（Tcs1）。

于是，采用转速微分反馈校正后的系统开环传递函数为

G1(s)K(Tcs1) ④ 2sTmTcS(TmTcKmKgTC)s1比较式③ 和 ④可以看出，转速负反馈和转速微分负反馈两种两种子选手并联校正的结果都不改变系统的型次，校正后的系统仍是I型系统。但是后者明显优于前者，因为它没有改变原系统的开环增益，而快速性能同样可以得到一定程度的提高。

总 结

本次设计运用我们所学的自动控制原理的基本理论,把经典的随动控制系统运用到实际生活中,对改善人们生活水平有一定帮助,也体现出了现代科学的力量。

我国北方冬天的天气极为寒冷，一般情况下室内必须有取暖设施，而阴面的住房就需要提供更多的能量，在能源问题日益紧张，环境污染越来越严重的今天，设计这种对太阳能充分利用的装置很有意义。

系统核心为随动控制系统部分，先由检测环节获得阳光入射角度，然后转换为镜面应该转动的角度，再由随动系统驱动镜面转动，以保证阳光准确射入室内。这样就能让住在阴面的人也享受到温暖的阳光了。

参考文献

1赵长安等编著.控制系统设计手册.北京:国防工业出版社,1991

2王子才等编著.控制系统设计手册.北京:国防工业出版社,1993

3胡佑德,马东升,张莉松编著.伺服系统原理与设计.北京理工大学出版社.1999 4胡寿松主编.自动控制原理(第4版).北京:科学出版社,2001

5章燕申等编著控制系统.控制系统设计与实践.北京:清华大学出版社,1992