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自 动 控 制 原 理 课 程 设 计
用 MATLAB语言分析和设计计算机磁盘驱动
系统
姓 名
学 院 信息与电气工程学院
专 业 电气工程及其自动化
年 级 2012
学 号
指导教师
2014 年 12 月 21 日
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课程设计任务书
设计题目:用 MATLAB语言分析和设计计算机磁盘驱动系统
1.设计目的
(1)培养学生文献检索的能力,特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。
(2)培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
(3)培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
(4)提高学生课程设计报告撰写水平。
2.性能指标要求
(1)原始数据
磁盘驱动读取系统典型参数
参数 符号 典型值
臂与磁头的转动惯量
J
1 (N ·m· s
2
/rad)
摩擦系数
f
20( N ·m·s/rad)
放大器增益
a
K
10~1000
电枢电阻
R
1( Ω)
电机传递系数
m
K
5(N·m/A)
电枢电感
L
1(mH)
(2)性能指标
磁头位置精度要求为 1 微米(对单位阶跃输入稳态误差为 0),磁头由磁道 a 移动到磁道 b
的时间小于 50ms(调节时间 t s ), 单位阶跃响应的超调量小于 5%,。
3. 设计容
未校正系统的要求:
(1)了解计算机磁盘驱动系统的工作原理并建立其数学模型。
(2)编写 M文件作出系统的单位阶跃响应,并得到性能指标。
(3)用根轨迹法分析开环增益变化对系统性能的影响。
(4)给出系统的开环传函的 bode 图,利用频域方法分析系统的频域性能指标(相角
裕度和幅值裕度)
对校正系统的要求:
根据系统性能指标的要求, 对计算机磁盘驱动系统进行设计, 选择 2 种方法对系统进行校正,
并比较这两种方法有什么特点。 (有一种方法达到性能指标即可)
(1)确定需采用的校正方式,画出校正装置的结构图,分析所采用的校正类型的理由。
(2)确定校正装置传递函数的参数。
(3)画出校正后的系统 bode 图,并求出截止角频率、相角裕度和幅值裕度等性能指标。
(4)做出系统的单位阶跃响应曲线,并求出其性能指标(超调量、调节时间) 。
(5)在 SIMULINK中建立系统的仿真模型,在前向通道中分别接入饱和非线性环节和
回环非线性环节,观察分析非线性环节对系统性能的影响。
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目 录
1 引言.............................................................. 4
2 系统原理 .......................................................... 4
2.1 工作原理 ........................................................ 4
2.2 结构原理 ........................................................ 5
3 系统建模 .......................................................... 6
4 系统分析 .......................................................... 8
4 .1 开环增益变化对系统性能的影响 ................................... 8
4 .2 频域性能指标 .................................................. 10
5 校正分析 ......................................................... 11
5.1 PD 校正分析 .................................................... 11
5.2 超前校正分析 ................................................... 14
6 心得体会 ......................................................... 17
7 参考文献 ......................................................... 18
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信息与电气工程学院本科生课程设计论文
(信息与电气工程学院,电气工程及其自动化专业, 2012 级 1 班 4)
摘 要:磁盘驱动器是计算机最重要的外部存储设备,广泛用于各类计算机
中,本文对传统的模型进行了理论仿真分析。 提出磁盘驱动读取系统的方案, 是
为了适应硬盘驱动器空间狭小、 功耗要求小以及保持轴承等需求设计, 基于控制
系统不仅对研究磁盘系统有意义,对其他系统的研究也有重要作用。
用 MATLAB软件设计线性控制系统的设计,使系统的设计简洁,并可以根据
仿真结果分析发现控制系统存在的问题, 确定系统参数, 以便于快速做出对系统
方案的修改。 使我们在科研生产领域获得更可靠的研究设计, 节约了设计科研的
成本。
关键词: 磁盘驱动器;线性控制系统;控制器
1 引言
磁盘驱动器作为一种存储数据信息的设备, 在目前的计算机系统中起着不可
替代的作用。 现如今, 硬盘技术发展日趋成熟, 读写磁头的定位控制又是核心技
术。磁盘可以方便有效的储存信息。 磁盘驱动器则广泛用于从便携式计算机到大
型计算机等各类计算机中。 磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准确定位, 以
便正确读取磁盘磁道上的信息。 要精确控制的变量是磁头 (安装在一个滑动簧片
上)的位置。磁盘旋转速度在 1800-7200r/min 之间,磁头在磁盘上方不到 100nm
的地方“飞行”,位置精度指标初步定为
1 m
;如有可能,我们还要进一步做到
使磁头由磁道 a 移动到磁道 b 的时间小于 50ms,该闭环系统利用电机驱动磁头
臂到达预期的位置。
2 系统原理
2.1 工作原理
磁盘驱动器的工作原理: 硬盘可以读取和写入保存数据, 写入数据实际上是
通过磁头对硬盘片表面的可磁化单元进行磁化, 硬盘是将二进制的数字信号以环
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