磁盘控制系统.docx
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磁盘控制系统
要求和目标
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。
如今，磁盘技术的发展日趋成熟，而其中又以读写磁头的定位控制为核心技术。
磁盘驱动器读写系统的原理如图1所示。
图1磁盘驱动器读写系统原理图
通过查找相关资料可知：
磁头的定位过程主要是由磁盘中的音圈电机（VCM）来完成的。
它接受主机发出的读写数据命令，快速的将磁头从当前磁道移动到数据所在的目标磁道上。
详细的过程如下：
首先音圈电机分析目标磁道和当前磁道的距离，主要是根据磁道号和磁道宽来确定。
磁道号通过读取刻录在磁盘上的伺
服信息中的磁道号获得然后决定是向内径还是外径移动，这个过程称为寻道。
当到达目标磁道后，磁头再紧紧跟随目标磁道，跟随过程通过读取刻录在磁盘上的伺服信息中的位置误差信号来实现。
伺服控制机构通过获取磁头相对于当前磁道的位置信息，及时调整磁头的位置，使磁头始终能够准确定位在磁道的中心位置,
并能够有效的克服噪音干扰和机械扰动造成的磁头偏离当前磁道的问题，这个过程称为跟随。
这两个过程都是由音圈电机带动滑块来完成的。
通过以上分析我们知道，音圈电机（VCM的运行性能是决定磁头准确定位的关键。
在实际中，由于干扰因素，音圈电机并不能运行在理想的状态，而是会出现振荡或不稳定的情况，这样不仅不利于磁头的准确定位，还有可能损坏整个磁盘。
因此需要设计控制器来改善其动态性能，本设计主要讨论PID控制方法来设计硬盘驱动器的控制器。
如图2所示，磁盘驱动器由磁头驱动机构（包括音圈电机、悬架、磁头、轴
承），硬盘碟片和主轴组成。
磁盘驱动器读取系统设计的目标是将磁头准确定位,以便正确读取磁盘上磁道的信息，因而需要进行精确控制的变量是安装在滑动簧片上的磁头位置。
磁头位置精度要求为111m且磁头由磁道a移动到磁道b的
时间小于50ms
方案概述
图3给出了该系统的初步方案，其闭环系统利用电机驱动磁头臂达到预期
的位置。
图中的偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制索引磁道时产生的。
测囲逊決伉宜
图3磁盘驱动读写系统初步方案
假定磁头足够精确，取传感器环节的传递函数HS1，同时采用电枢控制
直流电机模型来建模，如图4所示。
K
图4建模框图
电机的具体建模过程如下：
电枢控制直流电机的模型如下图5所示，电枢被
模拟为一个线性电阻R与电枢绕组电感L相串联，而电压源Uf表示电枢中产生
的电圧。
磁激用绕组用线性电阻Rf和线性电感Lf表示，①I表示气隙磁通（以下
我们均不考虑摩擦，风损和铁损，负载转矩带来的损耗等）。
图5直流电机模型图
电流电动机的电压平衡方程式为:
处7⑴+2警+获）（2=0
根据法拉第电磁感应定律，在恒定的磁场中转动的导电元件产生的感应电压
为:
（2-2）
式中t――线圈的磁链
所以电枢感应电压为：
Ug（t）K（t）（t）（24）
假定激磁不变并忽略电枢电压和其他次要因素引起的激磁磁通的变化，则激磁磁通t为定值，式（2-4）可改写为（2-5）
其中——直流电动机电压系数
在转子载流导体上作用垂直于磁通方向的力，电流的大小和磁感应强度及导
体长度成正比，在磁场中每一根导体都对总的合力提供一个分量。
由于转子的结构决定了力矢量作用于转子半径的力臂上，因而形成电磁转矩。
由假定的激磁磁通保持常数，所以电磁转矩与电枢电流成正比，即
T（t）Kti（t）（2-6）式中Kt——直流电动机转矩系数
转子中产生的机械功率为：
Pg（t）T（t）（t）（2-7）
的磁滞和涡流损耗，另一部分储存于转子功能，因而
式中：
Tf（t）—摩擦损耗所需的转矩，包括摩擦，风损和铁损
TL（t）—负载转矩
Bt—粘滞阻尼分量
B—粘滞摩擦系数
J—转子的转动惯量
公式（2-1），（2-5），（2-6），（2-8）构成模拟直流电动机的基本方程组，从其中可以求出直流电动机在不同工作方式下的传递函数。
对基本方程组进行拉普拉斯变换后可得到:
Ug（s）（RLs）I（s）
Ke（s）
KtI（s）
（BJs）（s）
上述基本方程组的方块图如下图所示:
Q
代入参数J1Nms/rad，B20Kg/m/s，R1，L1mH，Kt5Nm/A，
所以根据上图，我们得到音圈电机的传递函数模型为:
Kt
（LsR）（JsB）s
仿真设计
模拟PID控制
我们知道，一个好的控制系统，应该具有快速的动态响应，并且具有最小的超调量。
最小节拍响应是指以最小的超调量快速达到并保持在稳态响应允许波动范围内的时间响应。
因此，为了满足设计要求，可以尝试设计最小节拍控制系统,来达到最优的设计目标。
当忽略电机磁场影响时，具有PD控制器的磁盘驱动系统如图6所示。
（在
PID控制器的选择过程中，由于音圈电机的传函模型中已经有了一个积分环节,
所以PID控制器只需要PD控制就能达到目标，积分环节基本上没什么影响）
图6加前置滤波器的PD控制框图
为了消除PD控制形成的零点因式sz对闭环动态性能的不利影响，系统
配置了前置滤波器Gps。
当不考虑GpS时，系统开环传递函数为
相应的闭环传递函数为
5KiK3S
s2205K3s5K1
由表1可知，二阶最小节拍响应系统的标准化闭环传递函数为
系统阶数
闭环传递函数
系数
超调
量
调节时间
a
3
Y
£
2
%
3
%
4
%
5
%
6
%
表中标准化调节时间应为
nts4.82
根据设计指标要求，ts50ms应有n96.4，于是可取n130，其对应的调节
482
时间ts37.08ms50ms2%可以满足设计要求。
n
这样，二阶最小节拍系统的标准化闭环传递函数为
16900
s
s236.6s16900
令实际闭环传递函数与标准化闭环传递函数分母相等，有
GcsK1K3S338043.32s43.32s78.024
为了消除PD控制器新增闭环零点s78.024的不利影响，将前置滤波器取为
系统的仿真框图为
然后，对所设计的系统进行仿真测试。
无前置滤波器时单位阶跃输入响应，如图所示，仿真表明，闭环零点可以提升系统的上升时间，但恶化了系统的超调量;
系统无前置滤波器的程序:
K1=3380;K3=;
Gc=tf（[K3,K1],1）;
G仁tf（5,[1,20,0]）;
G2=senes（Gc,G1）;
G=feedback（G2,1）;
figure
（1）;
step（G）grides=1-y;ess=es（length（es））ess=
无滤波器的仿真图形:
超调量为%不满足要求；调节时间为，误差精度%
而加上前置滤波器时，系统的单位阶跃时间响应，如图所示，其动态性能大为改善，超调量0.101%，调节时间ts37ms50ms2%，从而满足设计指标
要求。
程序：
K1=3380;K3=;
Gc=tf（[K3,K1],1）;
G仁tf（5,[1,20,0]）;
Gp=tf,[1,]）；
G2=series（Gc,G1）;
G3=feedback（G2,1）;
G=series（G3,Gp）;
figure
（1）;
step（G）
grid
es=1-y;ess=es（length（es））
ess=
仿真图形:
Slep-Response
3&
召3意頁
101
Time（secJ
在上述调试结果的基础上，再进行反复调试，得到结果如下
程序:
K1=1152;K3=58;
Gc=tf（[K3,K1],1）;
G仁tf（5,[1,20,0]）;
G2=series（Gc,G1）;
G=feedback（G2,1）;
figure
（1）;
step（G）
grid
仿真图形:
0..5>&S
0®
0.02
1咚
0.03
003&
004
O.Mg
StepReapnns包
2
从图中我们可以看出，这个系统更优于带前置滤波器的系统，阶跃响应快而迅速，响应曲线在22ms左右就可以达到稳定，且稳定值为1,超调量基本为零,可以满足我们的设计要求。
数字PID控制
数字控制系统式一种以数字计算机为控制器去控制具有连续工作状态
图7数字PID控制原理图
数字控制系统具有下列特征:
（1）由数字计算机构成的数字校正装置，效果比连续式校正装置好,
且由软件实现的控制规律易于改变，控制灵活。
（2）采样信号，特别市数字信号的传递可以有效地抑制噪声，从而提
高系统的抗扰能力。
（3）允许采用高灵敏度的控制元件，来提高系统的控制精度。
（4）对于具有传输延迟，特别市大延迟的控制系统，可以引入采样的
方式稳定。
1、采样周期
数字计算机在对系统进行实时控制时，为了实现连续信号和脉冲信号在系统中的相互传递，采样器和保持器是数字控制系统中的两个特殊环节。
每隔T秒进行一次控制修正，T为米样周期。
采样定理（香农定理）
式中3m（或fm是连续信号频谱的上限频率，则经采样得到的脉冲序列能无失真的再恢复到原连续信号。
采样周期的选取
采样周期T选的越小，即采样角频率CDs选的越高，对控制过程的信息
便获得越多，控制效果也会越好。
但是，采样周期T选的过小，将增加不必要的
计算负担，造成实现较复杂控制规律的困难。
反之，采样周期T选的过大，又会
给控制过程带来较大的误差，降低系统的动态性能，甚至有可能导致整个控制系统失去稳定。
因此，选择采样周期应综合考虑各种因素：
1）给定值的变化频率。
加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频
率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。
2）被控对象的特性。
考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工
对象，则丁一般取得较大；在对象变化较快的场合，T应取得较小。
考虑干扰的
情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。
3）使用的算式和执行机构的类型。
采样周期太小，会使积分作用、微分
作用不明显。
同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时．前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。
执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反映数字控制器输出值的变化。
4）控制的回路数。
要求控制的回路较多时，相应的采样周期越长，以使
每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。
在本设计中，最终采样周期定为0.001s。
2、A/D和D/A转换器
通常，假定所选择的A/D转换器有足够的字长来来表示编码，量化单位
q足够小，所以由量化引起的幅值断续性可以忽略。
再假定，采样编码过程是瞬
时完成的，可用理想脉冲的幅值等效代替数字信号的大小，则A/D转换器可以用周期为T的理想开关代替。
同理，将数字量转换为模拟量的D/A转换器可以用保持器取代。
A/D转换器的位数决定测量的分辨率，过低的分辨率还会影响测量精度。
D/A
转换器的位数决定控制输出的分辨率，过低的分辨率会影响控制精度。
因此，在本系统的闭环控制中，二者应取相同的分辨率，即相同的采样周期。
3、差分方法的选择
所谓差分变换法就是把微分方程中的导数用有限差分来近似等效，得到一个与原微分方程逼近的差分方程。
差分变换法包括后向差分和前向差分变换。
在本系统中采用后向差分变换来构成位置型PID算法。
后向差分变换法亦称为后向矩形积分法，即用后向矩形面积来近似代替积分
面积，具体做法如下。
用ekT*T的矩形面积来近似替代（后向矩形积分），于是得
4、位置型数字PID算法
假设有模拟信号et
det
其微分为飞—，其后向差分为
ekTek1T
所谓后向差分变换就是令
detekTek1Tdt
对上式两边取拉普拉斯变换（z）变换得
sEs
如果数字信号和模拟信号具有相同特性，则
1
1Ts
模拟PID控制器的算法为ut
Kpet-'e
PTi0
det
tdtr
式中，ut为输出，et为输入,
Kp为比例系数,
Ti为积分时间常数,
Td为微
分时间常数。
传递函数形式的模拟PID控制器为
DsUsE
Kp1Ts
TdS
直接应用后向差分变换，将s匚吕代入上式,
推导出位置型数字PID
控制器
Kp1十Td1z1
Ti1z
Kp
Ki1
因此搭建数字
PID控制器，如图
DiscreteTransferFoil
然后将电机传递函数Gs
—5—进行离散化:
ss20
ts=;sys=tf（5,[1,20,0]）;dsys=c2d（sys,ts,'z'）
求出Transferfunction:
Z2-z+
最后构建数字PID闭环控制系统为:
5、数字PID控制器的参数整定
数字PID参数对系统性能的影响
（1）比例系数Kp对系统性能的影响
对系统静态性能的影响：
在系统稳定的情况下，Kp增加，稳态误差减小,进而提高控制精度。
对系统动态性能的影响：
Kp增加，系统响应速度加快；如果Kp偏大，系统输出震荡次数增多，调节时间加长；Kp过大将导致系统不稳定。
（2）积分时间常数Ti对系统性能的影响
对系统静态性能的影响：
积分控制能消除系统静差，但若T太大，积分作用太弱，以致不能消除静差。
对系统动态性能的影响：
若Ti太小，系统将不稳定；若Ti太大，对系统动态性能影响减小。
3）微分时间常数Td对系统性能的影响
对系统动态性能的影响：
选择合适的Td将使系统的超调量减小。
调节时间缩短，允许加大比例控制；但若Td过大或过小都会适得其反。
数字PID参数整定
基于模拟PID控制器的参数整定方法，本系统采用的事试凑法，即按照
先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。
具体步骤如下：
（1）只整定比例参数。
将比例系数Kp由小变大，观察系统的响应，直到得
到反应快、超调小的响应曲线。
2）如果上述只采用比例控制器的系统的静差不能满足设计要求，则应加
入积分环节构成PI控制器。
整定时，首先把第
（1）步整定的比例系数适当减小，
Ti的初始值要取较大些，然后减小积分时间常数，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得以消除。
在此过程中，应根据对响应曲线的满意程度反复修改Kp和Ti,以期得到满意的响应过程。
3）若经过上述参数试凑系统的动态性能仍然不满足设计要求（主要是超
调量过大或系统响应速度不够快），则可加入微分环节。
整定时，Td应从0逐渐
增大，同时相应地改变Kp和T,不断试凑，直到获得满意的控制效果。
在本系统中，经过反复试凑，最终得到的参数为：
Kp1420，Ki14，
Kd75000
6、仿真分析：
系统的响应曲线为
0.1
tee
U-
__L
情况下:
（2）
（3）
ts50ms的要求。
超调量为0,基本上没有过冲，使得磁头臂在读取过程中没有明显的上下
震动，从而可以延长磁头的使用寿命。
同时，通过观察和计算，系统最后稳定的误差为0.003%，完全满足体统
控制精度1m的要求，保证了磁头在读取指定磁道时，不会因为偏差而偏离到别的磁道上，从而完成磁盘的信息读取。
结论
针对如何尽可能加快磁头在磁道之间的移动时间，以及提高磁头的定位精度，本设计分别采用了模拟PID控制和位置型数字PID控制来改善系统的性能。
仿真及实验结果表明，设计的系统可以实现快速、无静差的磁头定位，即说明这个系统的设计方案是可行的。
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