1、摘要隨著數(shù)字控制器用來調(diào)節(jié)模擬對象被越來越多的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中， 并在現(xiàn)代工 業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。 本課設(shè)提出了基于模擬對象的數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè) 計。通過對模擬對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模， 并根據(jù)要達(dá)到的控制性能指標(biāo)設(shè)計控制策略， 在 MABLAB中進(jìn)行仿真，并通過力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，取得了較好的控制效果。通過 本課程設(shè)計， 可以加深對模擬對象的分析、 建模、仿真已及利用組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)的理 解，熟悉和掌握控制系統(tǒng)設(shè)計的方法， 對提高學(xué)生觀察、 分析和解決問題能力有很大 幫助。關(guān)鍵詞：模擬對象， MABLA，B 串聯(lián)校正，數(shù)字控制系統(tǒng)，控制策略，力控目錄第一章 概述 11.1 題目背景及應(yīng)用意

2、義 11.2 本文內(nèi)容及工作安排 1第二章 系統(tǒng)組成及被控對象分析 22.1 系統(tǒng)組成 22.2 被控對象分析 3第三章 控制策略設(shè)計及仿真研究 43.1 控制策略設(shè)計 43.2 仿真研究 8第四章 控制策略實(shí)現(xiàn) 94.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實(shí)現(xiàn) 104.2 運(yùn)行結(jié)果分析 錯誤！未定義書簽。第五章 總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 14內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書第一章 概述1.1 題目背景及應(yīng)用意義我們組設(shè)計的題目是基于模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)踐。 數(shù)字控制器應(yīng)用 非常靈活，且能使系統(tǒng)變得穩(wěn)定，并且易于集成優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的控制技術(shù)，因 此，選擇數(shù)字控制器來調(diào)節(jié)模擬對象被越來越多的應(yīng)用在工業(yè)生

3、產(chǎn)中， 并在現(xiàn)代工業(yè) 生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。 根據(jù)模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的組成、 工作原理， 通過對模 擬對象建立數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)所給的被控對象的動態(tài)性能指標(biāo)分析控制算法， 設(shè)計所需 要的控制器， 來實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的要求。 基于模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)主要由計算 機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡和模擬對象電路板組成。 在實(shí)物應(yīng)用之前先通過計算機(jī)模擬的 仿真， 再在仿真過程中發(fā)現(xiàn)不足之處并予以改進(jìn)， 把設(shè)計方案完善， 使仿真設(shè)計達(dá)到 要求即可，然后我們就可以進(jìn)行實(shí)物上的實(shí)驗(yàn)。1.2 本文內(nèi)容及工作安排我們組設(shè)計的主要內(nèi)容大體分為幾個部分： 被控對象的數(shù)學(xué)建模、 控制器的設(shè)計、 計算機(jī)的模擬仿真、控制算法設(shè)計

4、、實(shí)物運(yùn)行。第一章主要是關(guān)于模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的背景和應(yīng)用意義 ，還有就是闡述本 文的具體內(nèi)容和工作安排情況。第二章主要是了解系統(tǒng)的組成和被控對象的分析， 較為基礎(chǔ)， 為后面的數(shù)學(xué)建模 奠定基礎(chǔ)，這也是本設(shè)計的最為重要的一部分。第三章主要是控制策略的設(shè)計及仿真研究，進(jìn)行截圖和性能分析。 第四章主要說明控制策略是如何在實(shí)物上實(shí)現(xiàn)的。第五章 主要是總結(jié)一下在實(shí)驗(yàn)過程中的心得體會。諸如所學(xué)到的東西，所遇到 過的問題并如何處理還有一些參考文獻(xiàn)中的知識。第二章 系統(tǒng)組成及被控對象分析2.1 系統(tǒng)組成本設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置主要由計算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡和模擬對象電路板組成。1. 計算機(jī) 用來完成控制策略的仿真

5、研究和實(shí)現(xiàn)、 輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制、 過程動態(tài)組態(tài)等。2. 多功能數(shù)據(jù)采集卡主要從模擬對象電路板實(shí)時采集數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，并把經(jīng)過計算機(jī)內(nèi)部控制策略計算所得的控制量轉(zhuǎn)換后送給模擬對象電路板。3. 模擬對象電路板采用運(yùn)算放大器和阻容元件組成的實(shí)驗(yàn)對象，可以組成兩路單輸入單輸出模擬系統(tǒng)或完全解耦的雙輸入雙輸出模擬系統(tǒng)。需提供12V電源。其中模擬對象電路板的原理圖如圖 2-1 ：圖 2-1 電路板原理圖如上圖所示，系統(tǒng)的主要組成部分為輸入信號、反饋信號、比較限幅環(huán)節(jié)、電平 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、控制對象等幾個部分。輸入信號：通過控制開關(guān)，給系統(tǒng)輸入階躍信號。反饋信號：通過反饋信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比較限幅環(huán)

6、節(jié)：將輸入信號和反饋信號比較作為輸入， 通過電位器限制輸出電壓， 對電路板起保護(hù)作用。電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將模擬信號轉(zhuǎn)換為電平信號，其輸出作為被控對象的輸入。 被控對象：要控制的目標(biāo)。2.2 被控對象分析被控對象原理圖如圖 2-2 ：13由原理圖可知被控對象由積分、慣性兩個環(huán)節(jié)組成，其傳函如下：積分：C 5.5 ，R 100K, RC 100 * 103 * 5.5* 10 6 0.55G1 s T1s R1Cs 0.155慣性：C 5 ， R1 200K , R2 410KK R2 2.05 ，T R2C 2.05R1K 2.05G2 s2 Ts 1 2.05s 1被控對象：G s G1 s G2

7、 s3.727 s(2.05s 1)第三章 控制策略設(shè)計及仿真研究3.1 控制策略設(shè)計閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(s) 2 2.051.1275ss2 0.488s 1.82 0.55s 2.05被控對象傳遞函數(shù)為：G1(s)3.73 s(2.05s 1)化為標(biāo)準(zhǔn)型：(s)2 n 22 s 2nsn1.82可以得到對應(yīng)的 n 1.35 ，超調(diào) % e / 1 56.5%2相角裕度 arctan 2 27.32穿越頻率 c n 1 4 2 1.34調(diào)節(jié)時間 ts 3.5 14.4ssn采用串聯(lián)超前校正，校正參數(shù) 10% 45 則 58.5m (15 ) 461 sina 1 sin m 6.141 sin

8、 mc 2.11c10lga 40lg ccT 0.19校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：Gc(s)1 aTs1 Ts1 1.67s1 0.19s校正后傳遞函數(shù)為：G(s) G1(s)Gc(s)3.73 1 1.67 s(2.05s 1)1 0.193.2 仿真研究校正以前階躍響應(yīng)曲線以及波特圖如下：圖 3-1 校正前階躍響應(yīng)曲線圖 3-2 校正前波特圖校正以后階躍響應(yīng)曲線以及波特圖如下：圖 3-3 校正后階躍響應(yīng)曲線圖 3-4 校正后波特圖由圖可知校正前后的相角裕度有很大提高在 simulink 工具盒中進(jìn)行仿真：圖 3-5 simulink 截圖圖 3-6 響應(yīng)曲線圖中綠色的是不加校正環(huán)節(jié)得到的響應(yīng)曲線

9、，藍(lán)色的是加校正環(huán)節(jié)得到的響應(yīng)曲線， 由圖可以看出，系統(tǒng)的性能有了很大的提高。校正前后性能指標(biāo)對比如下：性能指標(biāo)超調(diào)量上升時間調(diào)節(jié)時間相角裕度校正前56.5%2.1s14.4s27.3校正后10%1.1s1.9s64表 3-1 性能對比內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書第四章 控制策略實(shí)現(xiàn)4.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實(shí)現(xiàn)在力控下的控制策略編程實(shí)現(xiàn)的流程如下：1.新建工程23圖 4-1 新建工程2. 進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)，點(diǎn)窗口，設(shè)置窗口屬性。3. 設(shè)置 I/O 設(shè)備驅(qū)動。選擇板卡中泰 PCI 8333, 設(shè)備配置。圖 4-3 設(shè)備設(shè)置4. 進(jìn)入數(shù)據(jù)庫組態(tài)，設(shè)置通道。圖 4-4 設(shè)置輸入通道圖 4-5 設(shè)置

10、輸出通道5. 進(jìn)入控制策略編輯器，建立控制策略圖 4-6 建立控制策略6. 建立歷史趨勢表格，設(shè)置歷史趨勢組態(tài)圖 4-7 建立歷史表格圖 4-8 設(shè)置歷史趨勢組態(tài)7. 在開發(fā)系統(tǒng)頁面，點(diǎn)文件全部保存，進(jìn)入運(yùn)行。同時讓控制策略進(jìn)入運(yùn)行組態(tài) 觀察運(yùn)行結(jié)果。4.2 運(yùn)行結(jié)果分析圖 4-9 結(jié)果曲線 圖中淺紅色部分是輸入， 深紅色是輸出。 按下開關(guān)給階躍信號曲線向上變化， 松開開 關(guān)曲線向下變化，曲線回到按下開關(guān)之前，輸出跟隨輸入，結(jié)果比較理想。測得各環(huán) 節(jié)輸入輸出電壓，其中輸入信號環(huán)節(jié)輸出為2.4V ，反饋環(huán)節(jié)輸入 -11.06V ，輸出10.33V，比較限幅環(huán)節(jié)輸入 8V左右，輸出為 -1.49

11、。電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸入 -1.49V ，輸出 3.14V，被控對象輸入 -5.03V ，輸出-11.06V 。第五章 總結(jié)這兩周的課設(shè)使我對計算機(jī)控制這門課有了更進(jìn)一步的了解，尤其對模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)有了更深層次的認(rèn)識。在完成題目的過程中，我學(xué)會了MATLAB軟件和力控軟件的基本使用方法。 在這個實(shí)驗(yàn)中我主要負(fù)責(zé)控制策略的實(shí)現(xiàn)。 首先是對力控 軟件進(jìn)行設(shè)置主要包括 IO端口和 PCI8333板卡的連接、數(shù)據(jù)庫 DB的設(shè)置、控制策略 的設(shè)計以及實(shí)時趨勢組態(tài)的設(shè)置，其次是將被控對象接入控制系統(tǒng)中并進(jìn)行運(yùn)行觀 察，最后由運(yùn)行曲線觀察系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變化， 使得到的曲線規(guī)律滿足系統(tǒng)設(shè) 計的要求。當(dāng)然

12、在實(shí)驗(yàn)過程中我們也遇到了些麻煩。 例如電路板的 D/A端沒有輸出， 即用萬 用表測得為 0, 而輸入輸出的數(shù)據(jù)曲線卻很正常，沒有出現(xiàn)問題，經(jīng)過我們一系列的 排查，原來是由于電腦出現(xiàn)的不明問題， 后來換了一臺電腦， 輸出端顯示了正常的數(shù) 字。還有就是被控對象被接入后只觀察到了輸入信號的曲線，卻沒有輸出信號曲線。 然后我們用萬用表測量發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出端沒有信號，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)還是出現(xiàn)這種現(xiàn) 象，我們就認(rèn)為可能是數(shù)據(jù)采集卡出現(xiàn)了問題， 后來換了臺機(jī)器， 這種現(xiàn)象就不存在 啦。這些天的實(shí)驗(yàn)， 使我明白了很多。 單純的理論必須通過不斷的實(shí)踐的結(jié)合， 才能 使我們更清楚的學(xué)習(xí)到一些知識。 盡管出現(xiàn)過很多不明的故障原因， 但是我們還是需 要去不斷的思考、實(shí)踐，找出病