磁盘驱动读取系统
这个设计实例将在本教材的各章中循序渐进的加以讨论。按照图1所示的设计流程，各章都将讨论该章所能完成的设计步骤。例如在第一章中，我们将完成设计步骤1、2、3、4，即：（1）确立控制目标，（2）确定控制变量，（3）初步确定各变量的初始设计指标，（4）初步确定系统结构。
确定控制目标确定控制变量给定各变量控制要求（设计指标）确定系统结构，选择执行机构若性能不能满足规范要 求，则重新确定系统结构和选择执行机构建立对象、执行机构和传感器模型建立控制器模型，选择关键待调参数优化系统参数，分析系统性能若性能满足规范要求，则设计工作结束
图1控制系统设计过程
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。考察图2所示的磁盘驱动器结构示意图可以发现，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（第一步）。要精确控制的变量是磁头（安装在一个滑动簧片上）的位置（第2步）。磁盘旋转速度在1800转/分和7200转/分之间，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（第3步）；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。至此，我们可以给出图3所示的初步的系统结构，该闭环系统利用电机驱动磁头臂到达预期的位置。
磁头滑片转轴臂的转动支撑臂磁道a激励电机磁道b图2 磁盘驱动器结构示意图
预期磁头位置+-偏差控制装置激励电极和臂实际磁头位置传感器图3 磁盘驱动器磁头的闭环控制系统
在上述内容中，我们指出了磁盘驱动系统的基本设计目标：尽可能将磁头准确定位在指定的磁道上，并且使磁头从1个磁道转移到另一个磁道所花的时间不超过10ms。现在，我们将完成设计流程（图1）的第4、5步。首先应选定执行机构、传感器和控制器（第4步），然后建立控制对象和传感器等元部件的模型。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（见图2）。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（见图4）。图5a中的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。如图5b所示，我们假定磁头足够精确，传感器环节的传递函数为H(s)?1；作为足够精确的近似，我们用图6给出的电枢控制直流电机模型（Kb?0）来对永磁直流电机建模；此外，图中也给出了线性放大器的模型；而且我们还假定簧片是完全刚性的，不会出现明显的弯曲。
电机电机手臂手臂簧片簧片磁头磁头
图4 磁头安装结构图
扰动Td(s)扰动Va(s)++--KmRa?Las电枢电枢Tm(s)+-+-TL(s)1Js?b速度速度?(s)1s位置位置?(s)反向感应电压反向感应电压Kb
图6 电枢控制直流电机框图
预期磁头位置+-偏差控制装置放大器输入电压执行机构和读取臂直流电机和手臂实际磁头位置传感器磁头和索引磁道(a)放大器R(s)+-E(s)KaV(s)电机和手臂G(s)G(s)?Kms(Js?b)(Ls?R)Y(s)传感器H(s)?1(b)图5 磁盘驱动读取系统系统框图模型 表1 磁盘驱动读取系统典型参数 参数 手臂与磁头的转动惯量 摩擦系数 放大器系数 电枢电阻 电机系数 电枢电感 符号 典型值 J 1N·m·s2/rad 20kg/m/s b Ka 10:1000 R Km 1? 5N·m/A 1mH L 表1给出了磁盘驱动读取系统的典型参数，于是我们有：
G(s)?Km5000?
s(Js?b)(Ls?R)s(s?20)(s?1000)Km/bR
s(?Ls?1)(?s?1)G(s)还可以改写为：G(s)?其中?L?J/b?50?s，??L/R?1?s。由于?=?L，因此?常被略去不计，因此有：G(s)?Km/bR0.255?，或G(s)?
s(?Ls?1)s(0.05s?1)s(s?20)该闭环系统的框图模型见图7。利用框图变换化简规则，我们有
KaG(s)Y(s)? R(s)1?KaG(s)
磁盘驱动读取系统
