基于最小拍控制的直流

1、 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 基于最小拍控制的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)授課教師 蓋寧 學(xué)生姓名 張松松 學(xué) 號(hào) 201000804063 專 業(yè) 10級(jí)電科教學(xué)單位 物理系 完成時(shí)間 2013年7月6日目 錄摘要11總體方案設(shè)計(jì)22直流電機(jī)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)22.1直流電機(jī)模型的建立22.2最小拍數(shù)字控制器設(shè)計(jì)23硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).33.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路33.2系統(tǒng)模塊3輸入模塊43.2.2反饋節(jié)53. 2.3顯示塊53.2.4控制器的計(jì)53. 3相關(guān)電路的設(shè)計(jì)或方案6軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試74.1開環(huán)狀態(tài)測(cè)試74.2閉環(huán)狀態(tài)測(cè)試75設(shè)計(jì)總結(jié)8參考文獻(xiàn)9附錄：系統(tǒng)硬件整體電路圖9摘 要近年來

2、由于微型機(jī)的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹的是用一臺(tái)26KW的直流電動(dòng)機(jī)，8051單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)

3、節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，成本低，易推廣等特點(diǎn)，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字方式1、總體方案設(shè)計(jì)在數(shù)字隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最小拍控制就是為滿足這一要求的一種離散化設(shè)計(jì)方法。所謂的最小拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)有以下形式：式中，N是可能情況下的最小正整數(shù)。這一形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)在N個(gè)采樣周期后變?yōu)榱?，從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但是最小拍控制器有其局限性：1、最小拍控

4、制器對(duì)典型輸入的適應(yīng)性較差。一種典型的最小拍閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)只適應(yīng)一種特定的輸入而不能適應(yīng)于各種輸入。2、最小拍控制器的可實(shí)現(xiàn)性問題。對(duì)于某些對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)，如:那么所設(shè)計(jì)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中必須含有純滯后，且滯后時(shí)間至少要等于被控對(duì)象的滯后時(shí)間。否則系統(tǒng)的響應(yīng)超前于被控對(duì)象的輸入，這在實(shí)際中是實(shí)現(xiàn)不了的。3、最小拍控制的穩(wěn)定性問題。在選擇時(shí)必須有一個(gè)約束條件（穩(wěn)定性條件）D（z）的零點(diǎn)和G（z）的不穩(wěn)定極點(diǎn)能夠完全對(duì)消。2、直流電機(jī)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)2l直流電機(jī)模型的建立直流電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于輸入電壓的傳遞函數(shù)模型：式中：機(jī)械時(shí)間常數(shù)，電氣時(shí)間常數(shù)。選取一商流電動(dòng)機(jī)，其銘牌參數(shù)為：額定電

5、壓U。=220V，額定電流L=lO.2A，額定轉(zhuǎn)速m=3246ra挑額定輸出功率m=2.0kw，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.082Js，則直流電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于輸入電壓的傳遞函數(shù)模型為： 上式為最小拍控制仿真的直流電機(jī)模型。22最小拍數(shù)字控制器設(shè)計(jì)直流電機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1中受控對(duì)象為直流電機(jī)，數(shù)字控制器為用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的最小拍控制。數(shù)字控制系統(tǒng)在典型的時(shí)間域輸入信號(hào)(例如階躍輸入、速度輸入、加速度輸入等)的作用下，經(jīng)過有限個(gè)采樣周期(也稱有限個(gè)拍)，輸出信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，且在盡可能少的有限個(gè)數(shù)目的采樣周期，穩(wěn)態(tài)誤差為零。這種設(shè)計(jì)方法也稱為最小拍設(shè)計(jì)，用這種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字控制系

6、統(tǒng)稱為最小拍控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的連續(xù)-時(shí)間受控對(duì)象是Gp(s)，輸入信號(hào)為r(t)，輸出響應(yīng)信號(hào)為y(t)，誤差信號(hào)為e(t)，則有。圖l是典型的單位反饋數(shù)字控制系統(tǒng)。圖l直流電機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以Ts為采樣時(shí)間間隔。數(shù)字控制器D(z)的輸入信號(hào)為e(KT。)，輸出信號(hào)為U(KTl)，則U(KTI)為控制信號(hào)。U(KL)輸入至零階保持器，零階保持器輸出u(t)是一個(gè)分段連續(xù)的時(shí)間信號(hào)，作為受控對(duì)象的輸入信號(hào)。將圖l中受控對(duì)象連同其前面的零階保持器的脈沖傳遞函數(shù)定義為G(z)，定義閉環(huán)傳遞函數(shù)M(z)，則中：R(z)一輸入序列；Y(z)一輸出序列，由上式解出最小拍無波紋控制器公式為設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)，

7、必須考慮物理可實(shí)現(xiàn)性和穩(wěn)定性，滿足物理可實(shí)現(xiàn)性和穩(wěn)定性的限制條件“。根據(jù)這些條件選擇閉環(huán)傳遞甬?dāng)?shù)M(z)，誤差傳遞函數(shù)1一M(z)，G(z)等，使得所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制系統(tǒng)在有限個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)特定類型的輸入信號(hào)的作用，輸出的穩(wěn)態(tài)誤籌為零。3、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路80C31單片機(jī)屬于基本型的51系列單片機(jī)，它采用HMOS工藝，片內(nèi)集成有8位CPU；片內(nèi)駐留128字節(jié)的RAM以及21個(gè)特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工串行I/O口（UART）、32條I/O線、5個(gè)中斷源和兩級(jí)中斷，尋址能力達(dá)128K字節(jié)（其中程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM各64K字節(jié)

8、）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時(shí)鐘頻率為12MHz，大部分指令周期只需1s，乘除指令也僅需4s。3.2系統(tǒng)的外圍模塊3.2.1輸入模塊80C31外接27128EPROM作為16K程序存儲(chǔ)器，存放全部控制軟件。用兩片74LS374和四個(gè)PNP中功率三極管以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)四位LED數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片74LS374采用線選法與80C31接口，地址分別為0DFFFH和0BFFFH。在80C31的P3口上外接三個(gè)按鍵，一個(gè)為啟動(dòng)/停止鍵，用于啟動(dòng)或停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；另兩個(gè)為顯示選擇鍵，一個(gè)用于控制顯示速度設(shè)定值，另一個(gè)用于控制顯示電流值，不按這

9、兩個(gè)鍵時(shí)，顯示實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外利用一片74LS374的多余輸出線，外接兩個(gè)LED發(fā)光管，一個(gè)用于顯示工作正常與否，它每隔1秒閃亮一次；另一個(gè)用于顯示是否處于運(yùn)行狀態(tài)。1.按鍵部分鍵盤及接口電路的設(shè)計(jì)有以下兩種方案：方案一：直接使用IO口的鍵盤連接電路。由于80C31的IO口具有輸出鎖存和輸入緩沖的功能，因而他們組成鍵盤電路時(shí)，可省去輸出鎖存器和輸入緩沖器，鍵位的列線、行線直接分別與單片機(jī)中接口相連。方案二：利用IO口和譯碼器的接口連接按鍵電路。將鍵盤的4根列線與譯碼器相連后由譯碼器74LS374三根口輸入單片機(jī)，可以節(jié)省IO口。于本設(shè)計(jì)所需要的按鍵總數(shù)較少，我們采用方案一，按鍵電路我們采用4

10、×4矩陣式鍵盤電路。2.鍵盤掃描方式的方案選擇：方案一：采用定時(shí)掃描方式。此掃描方式每隔一段時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次，通常利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，產(chǎn)生10ms的定時(shí)中斷，CPU響應(yīng)定時(shí)器溢出中斷請(qǐng)求，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，以響應(yīng)鍵盤輸入請(qǐng)求。方案二：采用中斷掃描方式。此掃描方式是在鍵盤上有鍵盤合上時(shí)才產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，判斷鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，并作出相應(yīng)的處理。方案三：采用循環(huán)掃描方式。次掃描方式就是在主程序中一直在掃描鍵盤，只要有鍵按下，就響應(yīng)鍵盤請(qǐng)求，求取鍵值。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇方案三即循環(huán)掃描方式。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的程序并不復(fù)雜，采用循環(huán)掃描可以很好的響應(yīng)鍵盤輸入，

11、并不影響其他功能的實(shí)現(xiàn)。3.2.2反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)是本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最小拍控制必不可少的部分，由測(cè)量元件(速度傳感器)對(duì)被控制對(duì)象(電機(jī))的被控參數(shù)(速度)進(jìn)行測(cè)量，送給控制器CPU，控制器將測(cè)量信號(hào)(實(shí)際速度量)與給定信號(hào)（速度量）進(jìn)行比較，若有誤差則按預(yù)定的控制規(guī)律產(chǎn)生一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(伺服電機(jī)控制電源)工作，使被控參數(shù)(實(shí)際速度量)與給定信號(hào)（位移速度量）保持一致。本設(shè)計(jì)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)以一個(gè)方波的形式從電機(jī)上輸出，相當(dāng)于一個(gè)編碼器的作用。方波的頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，所以在程序中設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)，就可以很好的測(cè)得當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而反饋給控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.2.3顯示模塊顯示模塊有以

12、下兩種設(shè)計(jì)方案：方案一：采用LCD(1602液晶顯示屏)來顯示電機(jī)的設(shè)定值。方案二：采用LED數(shù)碼管顯示電機(jī)的設(shè)定值。本設(shè)計(jì)采用的是方案一。因?yàn)橛肔CD顯示界面更友好，只要對(duì)相應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)程序有一定的了解就能完成顯示功能，節(jié)省CPU的資源。如果用LED數(shù)碼管顯示，就需要用多位的動(dòng)態(tài)掃描方式，這樣的設(shè)計(jì)既浪費(fèi)CPU資源，同時(shí)界面顯示效果并不理想。3.2.4控制器的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)任務(wù)書中我們得知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：其中： =1.8， =0.15，K =100，控制算法選用最小拍控制 。通過Z變換得到脈沖傳遞函數(shù)為：用單位階躍輸入得到控制器傳遞函數(shù)為：由于是單位階躍輸入所以其中的最后通過計(jì)算得到uk=0.

13、0027e(k)-0.0044e(k-1)+0.0016e(k-2)+1.4368u(k-1)-0.4368u(k-2) 3. 3相關(guān)電路的設(shè)計(jì)或方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，只要對(duì)加在電機(jī)兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們先確定了一個(gè)方案，先是用一個(gè)二極管整流橋?qū)⒔尤氲?20V交流電整流為直流，再用一個(gè)buck電路實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)。對(duì)于調(diào)速的實(shí)現(xiàn)通過一個(gè)外加電位器控制對(duì)buck電路的觸發(fā)脈沖的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制，可以用四個(gè)IJBT 運(yùn)用觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。 圖3主電路圖 圖4 整流電路 整流采用二極管整流，輸入電壓為220V交流電，輸

14、出電壓為198V。電感L和電容C的值取經(jīng)驗(yàn)值。 這部分電路的主要功能是通過控制觸發(fā)脈沖的高低來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制當(dāng)1的脈沖為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過控制四個(gè)IJBT的開通和關(guān)斷，來實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的正負(fù)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)電路還應(yīng)加上保護(hù)電路，和緩沖電路保證在電壓換相時(shí)不會(huì)出現(xiàn)短暫的高電壓和高電流沖擊。4、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試通過單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要完成的功能是，通過鍵盤輸入目標(biāo)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)通過最下拍控制器調(diào)節(jié)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值。這其中還包括設(shè)定值的顯示，和電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集，以及電壓信號(hào)的輸出。4.1開環(huán)狀態(tài)測(cè)試開環(huán)狀態(tài)下，未在系統(tǒng)中加入閉環(huán)，通過鍵盤我們給定電機(jī)一

15、個(gè)預(yù)期轉(zhuǎn)速值。確定之后，電機(jī)在初始狀態(tài)以很大的扭矩驅(qū)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值漸進(jìn)給定值時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速的增加值慢慢增大，但是沒有超調(diào)量，最后達(dá)到無靜差狀態(tài)。這樣的調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)。圖6中斷程序流程圖4.2閉環(huán)狀態(tài)測(cè)試通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)得，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。這樣我們通過鍵盤設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值，電機(jī)會(huì)通過最小拍控制器對(duì)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。加入閉環(huán)后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間減小了，但是出現(xiàn)了一定的超調(diào)。通過MATLAB仿真可以直觀的看到控制效果。開始系統(tǒng)初始化（I/O口，LCD，中斷）光標(biāo)閃爍，等待輸入目標(biāo)值并確認(rèn)判斷是否有鍵按下判斷按鍵功能判斷輸入值是否在范圍內(nèi)光標(biāo)閃爍，等

16、待輸入目標(biāo)值并確認(rèn)LCD顯示“input ERR”N 非A鍵Y A鍵 N Y 圖7系統(tǒng)的主程序流程圖5設(shè)計(jì)總結(jié)通過兩周的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到計(jì)控課程設(shè)計(jì)是對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)知識(shí)的驗(yàn)證，可以幫助我們理解鞏固所學(xué)知識(shí)，激發(fā)我們對(duì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可控系統(tǒng)的興趣，更鍛煉了我們獨(dú)立思考、開拓創(chuàng)新的能力。在這次設(shè)計(jì)中遇到了很多實(shí)際性的問題，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯(cuò)誤思維。一切問題必須要靠自己一點(diǎn)一滴的解決，而在解決的過程當(dāng)中你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在飛速的提升。對(duì)于最小拍算法控制直流伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)，其硬件電路是比較簡(jiǎn)單的，在MATLAB里面我們可以很好的仿真。最大的問題主要是解決程序設(shè)計(jì)中使用最小拍算法的問題，程序設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力，它才是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在。這次課程設(shè)計(jì)，我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，同時(shí)我們也掌握了做設(shè)計(jì)的基本流程，為我們以后進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對(duì)待問題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。設(shè)計(jì)的結(jié)果不是最重要的，設(shè)計(jì)的過程最值得回味，設(shè)計(jì)的思想中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)