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自控原理课程设计报告书 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2022 学号 指导教师 2022 年 12月21日 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 （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。 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) 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，2022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 ；如有可能，我们还要进一步做到的地方“飞行”，位置精度指标初步定为1m 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 状同心圆轨迹的形式，一圈一圈地记录涂有磁介质的高速旋转的盘面上。读取数据时，只需要把磁头移到相应的位置读取此处的磁化编码状态即可。 2.2结构原理 部结构由磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成，其中磁头、盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体，包括有浮动磁头组件、磁头驱动、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几部分。图2.1磁盘驱动器结构示意图。 磁道 图2.1磁盘驱动器结构示意图。 磁盘驱动读取系统采用永磁直流电机驱动读取手臂的转动。磁头安装在一个与手臂相连的簧片上，它读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号提供给放大器，簧片（弹性金属制成）保证磁头以小于100nm的间隙悬浮于磁盘之上。图2.2 磁头安装结构图。 图2.2磁头安装结构图。 3 系统建模 范要求 图3.1控制系统设计过程 1.磁盘驱动系统的基本设计目标：是尽可能将磁头准确定位在指定的磁道上，并且使磁头从磁道a转移到磁道b所花的时间不超过50ms。现在，我们将完成设计流程（图3.1）的第4、5步。首先应选定执行、传感器和控制器，然后建立控制对象和传感器等元部件的模型。图3.2 磁盘驱动器读取系统初步方案。 图3.2磁盘驱动器读取系统初步方案 2.偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制的索引磁道时产生的。我们假定磁头足够精确，传感器环节的传递函数为()1 H s=；作为足够精确的近似，我们用电枢 K=）来对永磁直流电机建模；此外，图中也给出了线性控制直流电机模型（0 b 放大器的模型；在此假定簧片是完全刚性的，不会出现明显的弯曲。 预期磁头位置 (R s () Y s (b) (a) 图3.3 磁盘驱动读取系统系统框图 ) s (a V s ()T s 扰动图3.4电枢控制直流电机框图 3.由磁盘驱动读取系统典型参数表，可以得出： 5000 ()()()(20)(1000) m K G s s Js f Ls f s s s =+ 其中/50s L J b =，/1s L R =。由于L =，因此常被略去不计，因此有：/0.25()(1)(0.051)m L K bR G s s s s s =+，或5 ()(20) G s s s =+ 4.利用框图变换化简规则，可以得出 ()() ()1() a a K G s Y s R s K G s =+ 5.利用()G s 的二阶近似表示，可以得出 25()()205a a K Y s R s s s K =+，当40a K =时，最