（控制理論與控制工程專業(yè)論文）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制器的dsp實(shí)現(xiàn).pdf

摘蛭 摘要 8 6 3 - 2 動(dòng)態(tài)模擬掃描成像實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)是為了詳杏普查結(jié)合型偵察相機(jī)在地l f i 模 擬衛(wèi)星飛行掃描成像而專門沒計(jì)的二仁實(shí)物仿真轉(zhuǎn)臺(tái)。它是一種典型的伺服控制系 統(tǒng)。 | j i 人在低速摔制系統(tǒng)的沒計(jì)方面已經(jīng)做了。些工作，但還不能完仝滿足轉(zhuǎn)臺(tái) 低速運(yùn)行時(shí)的控制精度要求。通過分析原有系統(tǒng)的經(jīng)典p i d 控制方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn)：低速運(yùn)行時(shí)的干摩擦力矩是影響轉(zhuǎn)臺(tái)低速平穩(wěn)性的重要因素，采用傳統(tǒng)的 控制方案很難使它具有較高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)這種非線性摩擦力矩?cái)_動(dòng)， 本文充分結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反饋控制的各自優(yōu)勢(shì)，提出了一種基丁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的p i d 控制器結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)p i d 控制器一般是固定參數(shù)的，而基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的p i d 控制器 能夠針對(duì)時(shí)變的摩擦力矩自動(dòng)尋找最優(yōu)的p i d 參數(shù)組合。這無疑增加了系統(tǒng)的自 適應(yīng)性。 本文以摩擦力矩補(bǔ)償為山發(fā)點(diǎn)，在原有系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，分析了控制列象的 低速特性，提出并論證了新的基于b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pt d 控制算法，并結(jié)合單軸仿真 轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)試過程，詳細(xì)敘述了控制系統(tǒng)的d s p 實(shí)現(xiàn)過程。 通過理論分析、計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)，充分證明了本文提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)p i d 控制算法的有效性。這對(duì)于今后伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無疑是一個(gè)有價(jià)值的參考。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)屋S轉(zhuǎn)臺(tái)，低速，干摩擦，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，d s t ，仿真，穩(wěn)定性 a b s t r a c t a b s t r a c t s h a nj i n l i n g ( c o n t r o l t h e o r y & c o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yr e s e a r c h e rm ac a i w e n t u r n t a b l ef o r8 6 3 2 d y n a m i c - s i m u l a t i o n s c i t n i m a g i n ge x p e r i m e n t i s s p e c i a l l y d e s i g n i n gp r a c t i c a l i t ys i m u l a t i o nt u r n t a b l ef o rs i f t i n ga n dg e n e r a l c h e c k i n gc o m b i n i n g t y p es c o u tc a m e r a ；i ti sat y p i c a ls y s t e mo f s e r v oc o n t r 0 1 f o r m e rp e o p l ea l r e a d yd os o m ew o r ki nd e s i g n i n ga s p e c ta b o u tl o w s p e e dc o n t r o l s y s t e m ，b u ti t c a n tc o m p l e t e l ym e e tt u r n t a b l e sc o n t r o lp r e c i s i o nr e q u e s to f l o w s p e e d m o v i n g b ya n a l y z e df o r m e rs y s t e mo f c l a s s i c a lp i dc o n t r o l s c h e m ea n de x p e r i m e n t d a t a ，t h ef i n d i n gs h o wd r y f r i c t i o ni si m p o r t a n tf a c t o ro nt h ei n f l u e n c eo fl o w s p e e d s t a b i l i z a t i o nd u r i n gt u r n t a b l ed oal o w s p e e dm o v i n g ，i ti sd i f f i c u l tt oh a v eu p p e rs t a t i c a n dd y n a m i cc a p a b i l i t yb ya d o p tt r a d i t i o n a lc o n t r o l - s c h e m e a i ma ts u c hn o n l i n e a r i t y f r i c t i o nm o m e n tm o v i n g ，s u f f i c i e n tc o m b i n i n gn e u r a ln e t w o r k sa n df e e d b a c kc o n t r o l r e s p e c t i v ea d v a n t a g e ，as o r to f p i dc o n t r o l l e rs t r u c t u r eb a s i n go nn e u r a ln e t w o r k sw a s b e i n g u s e dt oo v e r c o m et h e d r y f r i c t i o n t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r c o m m o n l yi s f i x a t i o np a r a m e t e r ；m o r e o v e rp i dc o n t r o l l e rs t r u c t u r eb a s i n go nn e u r a ln e t w o r k sc a n a u t o m a t i c a l l y f i n d o p t i m i z a t i o np i dp a r a m e t e rc o m b i n a t i o na i ma tp r o t e a nf r i c t i o n m o m e n t i ta l s oa d d ss y s t e m i cs e l f _ a d a p t a b i l i t y t h i sp a p e rb e g i n n i n gw i t hf r i c t i o nm o m e n t c o m p e n s a t e ，b a s i n go nf o r m e rh a r d w a r e ， a n a l y z e dc o n t r o l o b j e c t sl o w s p e e dc h a r a c t e r i s t i c ，p r e s e n t sa n dd e m o n s t r a t e san e w p i dc o n t r o la r i t h m e t i c b a s i n g o nb pn e u r a ln e t w o r k s ，a n dc o m b i n i n gt h e d e b u g p r o c e s s i o no fs i n g l e - a x i ss i m u l a t i o nt u r n t a b l eg o e si n t op a r t i c u l a r s t h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e s t i n g ，t h i sp a p e rs u f f i c i e n t l yp r o v e s e f f e c t i v eo fp i dc o n t r o la r i t h m e t i cb a s i n go nn e u r a ln e t w o r k s ，t h i si sav a l u er e f e r e n c e f o rt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo na f t e r t i m e k e y w o r d s ：s i n g l e - a x i st u r n t a b l e ，l o w - s p e e d ，d r y f r i c t i o n ，n e u r a ln e t w o r k s ，d s p , s i m u l a t i o n ，s t a b i l i t y 第一帝概述 第一章概述 空問對(duì)地成像觀測(cè)技術(shù)的研究和星載光學(xué)有效載荷的研制是目前國(guó)際上研究 的熱點(diǎn)問題，特別是一些依托新的原理和方法研制的宅劃對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)j 卜在不斷 推向?qū)嶋H應(yīng)用，而在地面上要對(duì)相關(guān)性能( 特別是成像性能) 進(jìn)行檢測(cè)就必須有滿足 星載試驗(yàn)條件的高精度速率仿真轉(zhuǎn)臺(tái)。本文所丌展的研究上作就是依托于一臺(tái)用 于詳查相機(jī)性能測(cè)試的速率轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行的。下面主要介紹目前轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的現(xiàn)狀，本 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)要求，并簡(jiǎn)要提出了機(jī)電控制轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)巾的難點(diǎn)問題。 1 1 仿真轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的現(xiàn)狀 仿真技術(shù)綜合了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中多種現(xiàn)代化尖端手段，極人地?cái)U(kuò)展了人類的 視野、時(shí)限和能力，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域起到了極其重要的作用。近l o 年來，我國(guó)仿 真技術(shù)得到迅速發(fā)展。從應(yīng)用的廣泛程度看，已經(jīng)從早期的航空、航天、火力發(fā) 電和核動(dòng)力發(fā)電部門擴(kuò)展到今天的軍：事、電子、通信、交通、建筑、氣象、地質(zhì)、 機(jī)械制造等多種行業(yè)和部門，其應(yīng)用已滲透到系統(tǒng)塵命周期的全過程。半實(shí)物仿 真作為仿真技術(shù)的一個(gè)分支，涉及的領(lǐng)域極。，包括機(jī)電技術(shù)、液壓技術(shù)、控制 技術(shù)、接l l 技術(shù)等。 半實(shí)物仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真，在條件允許的情況下盡可能在仿真 系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，這樣更接近實(shí)際情況，從而得到 更確切的信息。這種仿真試驗(yàn)將對(duì)象實(shí)體的動(dòng)態(tài)特性通過建立數(shù)學(xué)模型、編程， 在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 8 6 3 2 動(dòng)態(tài)模擬掃描成像實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)( 簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”) 足為了詳查普查結(jié)合型偵 察相機(jī)在地面模擬衛(wèi)星飛行掃描成像而專門設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)作為高精 度的半實(shí)物的模擬仿真設(shè)備，早巳被各國(guó)的地面仿真實(shí)驗(yàn)室所采用。本文所要研 制的是一種單軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)。希望它最好是一個(gè)比例為l 的純放大環(huán)節(jié)，這樣的轉(zhuǎn) 臺(tái)引入仿真回路中，其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性將不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。 轉(zhuǎn)臺(tái)因驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可分為電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和液壓轉(zhuǎn)臺(tái)。當(dāng)f j i 具有高頻響或大負(fù) 載特點(diǎn)的專用仿真轉(zhuǎn)臺(tái)多采用液壓直接驅(qū)動(dòng)方式，即山電液伺服馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)仿 柳一乖帆述 真轉(zhuǎn)臺(tái)。這能夠避免因齒輪、鉸鏈等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的系統(tǒng)h 0 度差、存在死區(qū)、控 制精度降低等缺陷。但不利兇素是需要有液壓源和管路，如果采用高壓油源，則安 全性差。并且液壓伺服系統(tǒng)存在一些難以確定的軟量，如液容c ，和摩擦系數(shù)；此 外還存在隨工況而變化的量，如負(fù)載質(zhì)量m 和外負(fù)載r 等。這些都增加了整個(gè)系 統(tǒng)的非線性程度。與之相比較，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有能源單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高的優(yōu) 點(diǎn)。 鑒于以上分析阻及資金限制，木系統(tǒng)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 1 2 轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)成像試驗(yàn)的要求，對(duì)該單軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)在負(fù)載為4 0 0 k g 時(shí)提出的具體指標(biāo) 如下： 角速度范圍：0 5 。3 。s ； 速度預(yù)簧精度a o j ：0 0 0 1 。s ，并能顯示； 達(dá)到速度穩(wěn)定所需時(shí)間f 。：3 s ； 最大角速度偏差，：0 0 0 2 。s ( 當(dāng)角速度為1 1 。s 時(shí)) ： 轉(zhuǎn)角范圍曰：0 。一2 4 0 。 1 3 機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制的難點(diǎn) 對(duì)伺服系統(tǒng)的要求是其輸出應(yīng)能夠連續(xù)、甲穩(wěn)地跟隨輸入的變化規(guī)律，并保 證一定的跟蹤精度。但山于系統(tǒng)的執(zhí)行元件是電動(dòng)機(jī)，在低速跟蹤時(shí)，實(shí)際的伺 服系統(tǒng)將會(huì)因執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定造成不均勻跳變的頻繁發(fā)生。但實(shí)際j 二，執(zhí)行 電機(jī)的不穩(wěn)定只是次要因素，不作為主要因素考慮。 伺服系統(tǒng)在低速工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)低速_ i 平穩(wěn)現(xiàn)象。所謂低速不平穩(wěn)，足指當(dāng) 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度低于某一臨界值時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度呈脈動(dòng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又稱低速抖 動(dòng)或低速爬行。摩擦力矩干擾是使轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生爬行的豐要原因之一。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的控制可分為模擬控制和數(shù)寧控制兩種，模擬 控制反應(yīng)迅速，適于快速反應(yīng)系統(tǒng)。數(shù)字控制為實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜但有效的控制算法 笫一市概述 提供了町能，從而保汪系統(tǒng)較高的位胃精度。仙足數(shù)字控制使系統(tǒng)響應(yīng)滯后，這 對(duì)r 系統(tǒng)的抗干擾能力是4 , n 的。 實(shí)際生產(chǎn)過程都常常存在著j i 確定凼素，如變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、非線性、時(shí)變 等，難以建立受控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。特別是常艦凋節(jié)器的控制參數(shù)具有固定 形式，不易在線調(diào)整，且參數(shù)整定過程長(zhǎng)，參數(shù)問相互影響，折衷后難以收到最 優(yōu)效果。由此可以看出，固定不變的p i d 控制并不是理想方案，若能在適當(dāng)時(shí)刻 分別投入變化的p 、i 、d 信號(hào)，控制效果會(huì)更好。 該轉(zhuǎn)臺(tái)在利用傳統(tǒng)的比例積分微分( p 1 d ) 控制算法時(shí)，速率平穩(wěn)性最好時(shí)達(dá)到 0 0 0 4 。秒，還不能完全滿足相機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)要求，本文提山了針對(duì)精度要 求的改良方案，仿真結(jié)果表明此方案性能良好，前景廣闊，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。 文章結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章，概述目前轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)l l 的難點(diǎn)： 第二章，介紹伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的般方法； 第三章，分析高精度仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)= 孛制系統(tǒng)； 第四章，詳細(xì)敘述控制系統(tǒng)的軟硬 ，i ：實(shí)現(xiàn)： 第i 章，總結(jié)全文，并提出有待十進(jìn)步探索的問題。 蚺一章f 可服掙制系統(tǒng)的改；| 力法 第二章伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 通常把控制系統(tǒng)分為恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)利隨動(dòng)控制系統(tǒng)兩大類。 隨動(dòng)系統(tǒng)足與恒值控制系統(tǒng)相比較而言的一類控制系統(tǒng)，其劃分依據(jù)是系統(tǒng) 輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如果輸入是預(yù)先未知的對(duì)時(shí)問任意變化的函數(shù)，要求被控 量以盡可能小的誤差跟隨輸入的變化，則陵系統(tǒng)為隨動(dòng)系統(tǒng)；如果輸入足一個(gè)常 值，被控量也為常值，則該系統(tǒng)為恒值系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)被控量是機(jī)械位置 或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，常被稱作伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種有它自己的特點(diǎn)，但也應(yīng)遵循自動(dòng)控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律。下面簡(jiǎn)要介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的一般規(guī)律。 2 i 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類及基本要求 為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方 式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)體。這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控 對(duì)象的輸出量，即被控量是要求嚴(yán)格的物理量；而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加 控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，但 最基本的種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統(tǒng)。 在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，足取自被控量的 反饋信息，用來不斷修正被控量的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)， 這就是反饋控制的原理。 2 1 1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法。例如，按控制方式可分為丌環(huán)控制、反饋控 制、復(fù)合控制等；按元件類型可分為機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、 氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等；按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置 控制系統(tǒng)等；按系統(tǒng)性能可分為線性系統(tǒng)利非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)等；按輸入信號(hào)變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng) 和程序控制系統(tǒng)等。一般地，為了全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常常將上述各 第一章 u l 服控制系統(tǒng)的、啦汁萬法 種分類方法組合應(yīng)用。 按照卜面的分類方法，本轉(zhuǎn)臺(tái)町近似看作反饋控制系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、位置控 制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)等。 2 1 2 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)有不同的類型， 對(duì)每一類系統(tǒng)被控量變化仝過程提出的 穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、 l 、穩(wěn)定性 對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但是 共同基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為 準(zhǔn)的要求。 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控 量偏離期望值的初始偏差因隨時(shí)陽j 的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。具體來蛻，則于穩(wěn) 定的恒值控制系統(tǒng)，被控量因擾動(dòng)而偏離期望值后，經(jīng)過一個(gè)過渡過程時(shí)間，被 控量應(yīng)恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)；對(duì)于穩(wěn)定的隨動(dòng)系統(tǒng)，被控量應(yīng)能始終跟隨輸 入信號(hào)的變化。反之，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差將隨 時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)散，因此，不穩(wěn)定系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)。 2 、快速性 為了很好地完成控制任務(wù)，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須 對(duì)其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。因此，對(duì)控制系統(tǒng)過 渡過程的時(shí)間和最大振蕩幅度( 即超調(diào)量) 一般都有具體要求。 3 、準(zhǔn)確性 理想情況下，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值( 即平衡狀態(tài)) 應(yīng)與期望 一致。但實(shí)際上，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的 響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，稱為穩(wěn)念誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是 量 頻段 響對(duì) 中三 控制系統(tǒng)精度的重要指標(biāo) 在定性地分析控制系統(tǒng)的 的分割界限只是大致的， 系統(tǒng)性能的定性分析。圖 個(gè)頻段的特征可以判斷控 ，在技術(shù)指標(biāo)中一般都有要求。 性能時(shí)，通常將伯德圖分成高、中、低三個(gè)頻段， 而且不同文獻(xiàn)時(shí)分割的方法也不盡相同，這并不影 2 1 繪出了一種典型伯德圖的對(duì)數(shù)幅頻特性，從其 制系統(tǒng)的性能。 值影衡 幫一帝伺服擰制系統(tǒng)的改計(jì)方濁 反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征訂f 列四個(gè)方面： ( 1 ) 中頻段以一2 0 d b 1 0 倍頻程的斜率穿越零分貝線，而上l 這一斜率占有足夠的 頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好； ( 2 ) 截止頻率( 或稱剪切頻率) 越高，則系統(tǒng)的快速性越好： ( 3 ) 低頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好( 即靜差率小、調(diào)速范圍 寬) ； ( 4 ) 高頻段衰減的越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，醌明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾 的能力越強(qiáng)。 l d b 0 圖2 1 典鈄控制系統(tǒng)伯德圖 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定， 加上校正裝置后系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能要犧牲快速性，提高截止頻率可以加快系統(tǒng) 的響應(yīng)又容易引入高頻干擾，女此等等。設(shè)計(jì)時(shí)往籜必須刷多種手段反復(fù)試湊， 才能獲得比較滿意的結(jié)果。當(dāng)采用軟件的方法時(shí)，控制器的結(jié)構(gòu)不一定是固定的， 可以視具體情況切換到不同的結(jié)構(gòu)，靈活性大有改善。 2 2 隨動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 對(duì)于一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中部應(yīng)滿足一定的技術(shù)要求，它們足隨動(dòng)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)依據(jù)，具體包括： 一幣制服拎制系統(tǒng)們世l f 方法 2 2 1 靜態(tài)指標(biāo) 1 、系統(tǒng)靜態(tài)誤差p 。 隨動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常設(shè)計(jì)成無靜差系統(tǒng)，但由于系統(tǒng)測(cè)量元件的分辨率有限，系統(tǒng) 受干摩擦影響造成的死區(qū)等都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的誤差。設(shè)計(jì)巾應(yīng)把這一類誤差 的累積和限制在p 。以下。 2 、速度誤差q 和正弦跟蹤誤籌，速度及加速度品質(zhì)因數(shù)女。、女。 當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)處于勻速跟蹤狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸m 與系統(tǒng)輸入之問的瞬時(shí)位置誤差 稱作速度誤差p 。，當(dāng)系統(tǒng)處于等幅等頻擺動(dòng)跟蹤時(shí)，輸出軸與輸入軸之間的瞬時(shí) 誤差振幅值稱作j f 弦跟蹤誤差e 。 速度品質(zhì)因數(shù)七。是系統(tǒng)在斜坡輸入時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出角速度珊。與速度誤差e ， 的比值。加速度品質(zhì)因數(shù)七。是在拋物線輸入時(shí)，系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)角加速度西與相 應(yīng)的系統(tǒng)誤差之比。 3 、最大跟蹤角速度。、最小跟蹤角速度甜、最大跟蹤角加速度西 4 、振蕩指標(biāo)和頻寬 振蕩指標(biāo)村：! 魚! ! 。，當(dāng)丌環(huán)幅頻特性a ( ( 1 ) ) = 0 7 0 7 剛所對(duì)應(yīng)的角頻率稱 d ( o ) 作系統(tǒng)帶寬。通常用0 5 , 。表示系統(tǒng)丌環(huán)通頻帶( 珊，是穿越頻率) 。即有l(wèi)e ( j 峨) | = i c ( j 塒。) l ，而珊 * ( 1 2 ) 國(guó)。 2 2 2 動(dòng)態(tài)指標(biāo) l 、階躍輸入時(shí)的響應(yīng)特性 包括最大超調(diào)量o ，過渡時(shí)間f 。和振蕩次數(shù)n ，。 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)念值的最人偏離量與穩(wěn)態(tài)值之 比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量。 7 笙二! 型坐竺型墨塹塑壁墮塵鯊 盯：魚l 二魚1 0 0 f 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)最越小，則棚劉穩(wěn)定性越好。 c ( t ) ( 2 一1 ) 蹦2 z 階躍響隨曲線 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)問，它測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢，一般在階躍 響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近士5 ( 或2 ) 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并 不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)陽j 為調(diào)節(jié)時(shí)n u 。見圖2 2 ： 2 、等速跟蹤時(shí)負(fù)載擾動(dòng)引起的響應(yīng)特性，這要包括最大瞬時(shí)誤差和過渡過程時(shí)間。 一般地，設(shè)計(jì)一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)并不是所有的指標(biāo)都給出，而足針對(duì)不同的應(yīng)用 場(chǎng)合對(duì)某些指標(biāo)嚴(yán)格要求，適當(dāng)放寬對(duì)其他指標(biāo)的限制。本文要設(shè)計(jì)的仿真轉(zhuǎn)臺(tái) 是為了空間對(duì)地成像技術(shù)在地面模擬衛(wèi)星飛 j 而門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)。對(duì)其低速 平穩(wěn)性即穩(wěn)態(tài)精度的要求較高，而對(duì)其它響應(yīng)指標(biāo)則適當(dāng)放寬。 2 3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的重要性能，也是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的首要條f 4 ：。控制系統(tǒng) 在實(shí)際運(yùn)行過程中，總會(huì)受到外界和內(nèi)部一些因素的擾動(dòng)。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，就 會(huì)在任何微小擾動(dòng)的作用下偏離原來的平衡狀態(tài)，并隨時(shí)問的推移而發(fā)教。因此， 分析系統(tǒng)穩(wěn)定性并提出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的措施，就顯得尤為重要了。 線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義如下：若線性控制系統(tǒng)在初始擾動(dòng)的影響下，其 動(dòng)態(tài)過程隨時(shí)間的推移逐漸衰減并趨于零( 原平衡一r 作點(diǎn)) ，則稱系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定： 第一二章們服掙制系統(tǒng)的駛計(jì)方池 反之，若在初始擾動(dòng)的影響下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程隨時(shí)川的推移而發(fā)散，則稱系統(tǒng) 矸i 穩(wěn)定。 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負(fù)實(shí)部：或 者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均嚴(yán)格位于九半s 平面。 2 4 控制系統(tǒng)的誤差分析 伺服系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，希望其輸出量盡量復(fù)現(xiàn)輸入量，即要求系統(tǒng)有一定的 穩(wěn)態(tài)精度，產(chǎn)生的誤差越小越好。不同的設(shè)備對(duì)系統(tǒng)有不同的精度要求。例如在 高炮雷達(dá)隨動(dòng)系統(tǒng)中，要求高炮的瞄準(zhǔn)精度o 1 2 。否則，高炮將不能命中目標(biāo)， 貽誤戰(zhàn)機(jī)。所以，對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差分析就顯得十分重要。 影響隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤籌的因素有咀下幾點(diǎn)：由檢測(cè) 元件引起的檢測(cè)誤差；由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)引起的原理誤差；負(fù)載擾動(dòng)引起 的擾動(dòng)誤差。f 面主要討論一下控制器的結(jié)構(gòu)選擇對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的影響。 2 4 1 i 型系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差 耿i 型系統(tǒng)的”環(huán)傳遞函數(shù)為：( s ) = i l d b o 絲二l 一事 ls ( 乃+ 1 ) l 】 。1 。 l i 】 幽2 3 隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖2 4i 刑系統(tǒng)對(duì)數(shù)幅頻特性 ( 2 2 ) 9 第一亭刪服拎制系統(tǒng)的垃汁山法 在階躍輸入下，i 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零。j 物理意義足，在隨動(dòng)系統(tǒng)中t 乜 機(jī)的轉(zhuǎn)速到位移之州是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，只要氏o ，就有控制電壓u 。和整流電 壓，電機(jī)就要轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)忽略電機(jī)軸e 負(fù)載時(shí)，電機(jī)將一直轉(zhuǎn)到偏差電壓為零為 止。 在速度輸入下，i 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等丁丌環(huán)增益的倒數(shù)。其物理意義是， 在速度輸入下，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤，輸出軸必須與輸入軸同步旋轉(zhuǎn)，因此電樞上必 須有一定數(shù)值的電壓u 。由于是l 型系統(tǒng)，控制對(duì)象中已有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，要維 持一定的電樞電壓，放大器入口必須有一個(gè)偏差電壓。若以= o ，則u 。t = o ，u o ， 電機(jī)就停l 匕不轉(zhuǎn)了。所以系統(tǒng)輸入輸出之刪定是有差的。顯然放大器增益愈大， 穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)誤差就愈小。 在加速度輸入下，i 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)誤差為無窮大。其物理意義是，加速 度輸入相當(dāng)于輸入軸的速度不斷增加，若要準(zhǔn)確跟蹤，輸出軸的速度也應(yīng)不斷增 加，電樞電壓u 。也要不斷增加。山于是比例放大器，其入口電艇就必須不斷增加， 即角差a0 不斷增長(zhǎng)，輸出軸與輸入軸的偏差與叫俱增，導(dǎo)致穩(wěn)念原理誤差趨于 無窮大。 綜上所述，i 型系統(tǒng)只對(duì)位置輸入是無靜差的，有時(shí)又稱為階無差系統(tǒng)。 對(duì)速度輸入是有靜差的，靜差的大小與丌環(huán)增益成反比。對(duì)加速度輸入則完全不 能適應(yīng)。 2 4 21 1 型系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差 仍利用圖2 3 的閉環(huán)系統(tǒng)來分析。其中傳遞函數(shù)( s ) 為：( s ) = 籬囂。 只在分母上多了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，這是由調(diào)節(jié)器來提供的。 1 1 型系統(tǒng)在階躍輸入和速度輸入都是無差隨動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)稱它為二階無差系 統(tǒng)。對(duì)于加速度輸入，i l 型系統(tǒng)同樣適用，穩(wěn)態(tài)原理誤差與開環(huán)增益成反比。若 要保證隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟蹤的精度，顯然i l 型系統(tǒng)是比較理想的結(jié)構(gòu)。 第一章們?cè)迈窋Q制系統(tǒng)的駛1 1 方沾 l d b 0 圖2 51 1 掣系統(tǒng)劉數(shù)幅頗特性 笫二尊- 盤牿立仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)稈 第三章高精度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái) 為詳查普查結(jié)合型偵察相機(jī)在地面模擬衛(wèi)星飛行掃描成像而專門設(shè)汁的仿真 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)于幾年前研制成功，投入使用后取得良好的控制效果。該轉(zhuǎn)臺(tái)在利用傳 統(tǒng)的比例積分微分( p i d ) 控制算法時(shí)，速率平穩(wěn)性最好時(shí)達(dá)到0 0 0 4 。秒。但根據(jù) 相機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)要求，這還不能完全滿足用戶指標(biāo)?；诖爽F(xiàn)有轉(zhuǎn)臺(tái)，本文提 出了針對(duì)精度要求的改良方案，并由原理分析及仿真證實(shí)此方案理論依據(jù)充分， 仿真結(jié)果j 下確，具有較好的應(yīng)用前景。 下文在簡(jiǎn)要介紹原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，指出了目前存在的問題提出了解決方 案，并論證了此方案的可行性。 3 1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 原有轉(zhuǎn)臺(tái)是一個(gè)閉環(huán)控制的直流凋速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋 分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行串級(jí) 聯(lián)接。這就是蛻，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器 的輸出去控制晶閘管整流裝置。從閉環(huán)的結(jié)構(gòu)可以看出，電流調(diào)節(jié)環(huán)在罩面，稱 為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。 在設(shè)計(jì)時(shí)，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用p i 調(diào)節(jié)器，速 度環(huán)調(diào)：肖器采用p 卜p 調(diào)節(jié)器。 3 1 1 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，首要的任務(wù)是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)選用的驅(qū) 動(dòng)源為電樞控制式力矩電機(jī)，取電樞電壓為輸入量，電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角為輸出量， 可得電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為： “。( s )s l 。d ，s2 + ( 。厶+ ，。r 。) s + ( r 。厶+ k b c 。) ( 31 ) 一般地，在低速系統(tǒng)中滑動(dòng)摩擦阻力忽略f ：汁，i 乜動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為 j 2 第二市- 亂精j 奠仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái) 魚盟：莖! “。( s )s ( 疋s2 + 7 j s 十1 ) 式中k 。2 古稱為電動(dòng)機(jī)傳遞系數(shù)( r a d s v ) ， ( s ) ，瓦2 憊稱為電氣時(shí)間常數(shù)( s ) 。 電動(dòng)機(jī)用方框圖表示為： 3 1 2 系統(tǒng)電流環(huán)的改計(jì) 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖3 2 ( 32 ) 乙：車稱為電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)問常數(shù) “c 。 酗3 1 電動(dòng)機(jī)方框圖 亂，( s ) r 廣廠 叫 c 1 i 叫p w ml _ 叫電機(jī) j _ 磊磊1 _ 圖32f 乜流環(huán)方框圖 最常用的電流調(diào)節(jié)器是p t 調(diào)節(jié)器。由于電流檢測(cè)信號(hào)常含有交流分量，所以 要加濾波，同時(shí)為了補(bǔ)償反饋通道中這一順性作用，在給定通道中加入了給定濾 波環(huán)節(jié)。 電流環(huán)可以校j f 為i 型系統(tǒng)或1 1 型系統(tǒng)，如果要求系統(tǒng)無靜差、無( 小) 超調(diào) 貝4 應(yīng)校正為i 型系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)抗擾性能好，則應(yīng)校正為i i 型系統(tǒng)。i 型系 統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差見表3 1 。 表3 ii 犁系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作川r 的穩(wěn)態(tài)誤差 l輸入信號(hào)階躍輸入r 0斜坡輸入v n t 加速度輸入a o t 2 2 i穩(wěn)態(tài)誤差 ov o k 五 第二章，睛度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái) 為限制電流超調(diào)，電流環(huán)按典型i 刪系統(tǒng)i 殳汁。則動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖： 3 ( a ) 所 示，圖3 ：；( b ) 畫出了電流環(huán)的丌環(huán)刈數(shù)幅頻特性。 l d b o r 葉芻1 ( ) ) 圖3 3 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖 ( a ) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖( b ) 開環(huán)對(duì)數(shù)幅 ! i j 特性 3 1 3 系統(tǒng)速度環(huán)的設(shè)計(jì) s 電流環(huán)是速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，在設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作 速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需要求出它的等效傳遞函數(shù)。 在本系統(tǒng)中，電流環(huán)是一典型i 型系統(tǒng)，電流閉環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)相當(dāng)于 一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，山于它的自然振蕩頻率遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率，則電流環(huán) 的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為： 端u g i = 告2 7 01 = 備1 。， b )i s +琺，s + 對(duì)于本系統(tǒng)： 掣：旦墜( 3 - 4 ) l t g i 6 ) 一o o l s + i 4 第三章崩精度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇為：苧! 生! ! ! ! - h s 圖3 4 轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)例 由于測(cè)速元件為絕對(duì)式光學(xué)編碼器，反饋?zhàn)銛?shù)字量，所以升i 必采用濾波環(huán)節(jié)。 為了改善直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性和抗擾特性，采用了p ip 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速環(huán) 開環(huán)傳遞函數(shù)為： 喇2 鬟端 s ， 其丌環(huán)劉數(shù)幅頻特性如圖3 5 所示： 惝 o 剛3 5 轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性 從圖3 5 可以看出，加了p i p 調(diào)節(jié)器后，系統(tǒng)穩(wěn)定性大為提高。 袁3 2i i 型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作_ l l jr 的穩(wěn)態(tài)誤著 i輸入信號(hào)階躍輸入r o斜坡輸入v o t 加速度輸入a 。t 2 2 l穩(wěn)態(tài)誤芳00a t k 這是一個(gè)i i 型系統(tǒng)。典型i i 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差列于表3 2 ，由表可見，在階躍 輸入和斜坡輸入下，i i 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)剛都是無差的。在加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差 第三章l 葡精度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)什 的大小與丌環(huán)增益k 成反比。 3 1 4 系統(tǒng)位置環(huán)的設(shè)t 原有系統(tǒng)的電流環(huán)和速度上 ：由硬件采用模擬控制實(shí)現(xiàn)。為使轉(zhuǎn)臺(tái)具有高的位 置精度和快速反應(yīng)能力，增加靈活性，在設(shè)計(jì)中增加數(shù)字控制的位置環(huán)。下面主 要討論位置環(huán)的設(shè)計(jì)過程。 由于系統(tǒng)采樣頻率為4 0 0 t t z ，而位置環(huán)的頻帶在5 h z 左右，c c ，。 所以，采樣系統(tǒng)近似于連續(xù)系統(tǒng)，可用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)位置環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 對(duì)于給定的速度環(huán)， f 面概略介紹幾種常用的校j f 方法并著重討論用這些方法進(jìn) 行轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程。 速度環(huán)的傳遞函數(shù)為： g ) = 才i k n 麗x c o 2 ( 3 6 ) 其中，國(guó)。：自然振蕩頻率 f ：阻尼系數(shù) k 。：速度環(huán)放大倍數(shù) 圖3 6 位簧環(huán)結(jié)構(gòu)嘲 研( z ) ：系統(tǒng)給定量，( 5 ) ：系統(tǒng)輸出量，p i d ：比例積分微分控制器 d a ：數(shù)模轉(zhuǎn)換。 下面將給山該數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合性設(shè)計(jì)過程。 l 、零階保持器特性分析 數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算出來的控制量部是數(shù)字信號(hào)，要將它恢復(fù)成連續(xù)信號(hào)，就要 第二蓽l 罱精度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)什 用零階保持器。零階保持器使每一采樣時(shí)刻的信號(hào)一直保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻， 從而使數(shù)字信號(hào)變成階梯狀模擬信號(hào)。 如果把階梯信號(hào)的中點(diǎn)連接起來，則可得到與模擬信號(hào)形狀一致，而在時(shí)間 上滯后了的時(shí)間響應(yīng)。零階保持器的傳遞函數(shù)為： 頻率特性如圖3 7 。 t 0 嘲3 7 零階保持器的頻率特r i ： ( 3 7 ) 山于l 畸頻特性的幅值隨頻率增n l i 【i 衰減，此零階侏竹器足個(gè)低通濾波器。 但它除低頻分量外，還允計(jì)：部分l 島頻分昂通過。 另外，在線性連續(xù)系統(tǒng)| f f ，穩(wěn)定性的判刖足杓：s 域l ，進(jìn)行的，穩(wěn)定性判據(jù)都 是基于s 域的。而采樣系統(tǒng)是神! z 、i 而遜 j ：分析的。此汁先心弄清楚從s 域變 換到z 域后，零極點(diǎn)的十鹿位胃關(guān)系。 從z 變換的定義知道，s 域jz 域的笑系為 z = p “ ( 3 8 ) 其中t 為采樣周期。因此，s 域巾的慮軸，旺s _ j u 映射到z 域_ f ；虧成為以原點(diǎn) 為中心的單位圓，而s 域 平面映射到z 域的單位圓 由連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定條 的根都必須在的單位圓內(nèi) 有一個(gè)根在單位圓上時(shí)， 的左半平面即s = - o + j u 映射到單位周內(nèi)部，s 域的右半 外。 件可推知，采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是：采樣系統(tǒng)特征方程 。有一個(gè)根在單位圓外，系統(tǒng)就將處丁i 不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng) 系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界。為了方便系統(tǒng)分析，應(yīng)該獲得包括 竿 j f ) s ( g i g h a u ) i 弋廠、 4 叱扎k 一 第二章l 島精艘仿真試驗(yàn)特竹 零階保持器在內(nèi)的速度環(huán)的離散傳函 彬：( z ) = z g ( s ) ( s ) j j j 礎(chǔ)j 。4 c o ，2 0 3 。4 m ，4 。m ，2 ；。4 一珊j j j。 z 域j 4 l j v2 廠 、 = o m j挺。 3 國(guó)j 4 翻3 8s 域到z 域的映射 2 、數(shù)字p i d 校j 下 從本質(zhì)上蛻，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)p h ) 算法足傳統(tǒng)p i o 算法的一種改進(jìn)形式，是參數(shù)時(shí) 變的p i d 。在這里，僅以傳統(tǒng)p i d 為例進(jìn)行系統(tǒng)分析。p i d 校i f 網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 刪= 等= k p ( 1 + 去哪) ( 3 刪 現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一個(gè)與d ( s ) 相對(duì)應(yīng)的數(shù)寧補(bǔ)償器，經(jīng)過離散化處理后得到： “女= “i i + c r e 女+ 庳女一1 + y e i 一2 ( 3 1 0 ) 式中，艫k p + k 2 , t + 爭(zhēng)f l = - k p - i 一丁k , t 一了2 k a ，= 爭(zhēng)， t 采樣周期 于是可以推導(dǎo)出d ( z ) 的表達(dá)式 籌_ d ( 加墮蘭# ( 3 - t t ) 設(shè)計(jì)p i d 校正網(wǎng)絡(luò)就是合理選擇u 、f ；、v 二個(gè)參數(shù)值。 p l d 調(diào)節(jié)器對(duì)控制系統(tǒng)的控制效果的影響，主要取決于調(diào)節(jié)參數(shù)的選取。而 大量實(shí)踐證明，選擇模擬調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法對(duì)丁微機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定同樣適 第= 帝，島精度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)仃 用。 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注意下列幾個(gè)問題 第一。輸出增量限幅 入擾動(dòng)的第 幅度變化， 。此處的限i 舊主要是限制山于微分作刖引起的沖擊。因?yàn)榧?個(gè)周期中，微分作用足最強(qiáng)的，有可能引起軟件輸出突然大 不利于安全操作。因此，需要確定每次允i ：輸出增量的最人幅 度，當(dāng)輸出超出此限時(shí)，僅以此限輸出。 第二，輸出位置限幅。程序計(jì)算的輸出范圍應(yīng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的范圍內(nèi)，否則會(huì) 損壞設(shè)備，降低控制品質(zhì)。因此常需要采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閾位可調(diào)節(jié)的余量 進(jìn)行比較，如果超過此余量，則應(yīng)按此余量輸出。 第三，設(shè)置輸出允許誤差帶，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作。山丁汁算機(jī)在有微小偏差 存在時(shí)，精確計(jì)算后不斷輸出控制量，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)不斷改變位置，頻繁動(dòng) 作。兇此應(yīng)根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)，當(dāng)偏差小于此值時(shí)，f i 改變 輸出。 3 、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)p i d 控制算法的改進(jìn) 當(dāng)給定值或擾動(dòng)大幅度變化時(shí)，在p 1 d 控制算式中，盡管計(jì)算輸出已經(jīng)超過 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限度，但在一段日i j 間內(nèi)，偏差仍將保持較大的值，使積分不斷積累， 進(jìn)入飽和。這一現(xiàn)象稱為積分飽平現(xiàn)象。為了避免稅分飽和，町以采用過限削弱 積分法和積分分離法。 過限削弱積分法的設(shè)計(jì)思想是：控制最一旦進(jìn)入飽和區(qū)，將不再計(jì)算積分項(xiàng)。 具體講就是，在計(jì)算積分項(xiàng)前，先判斷i i i f 次的計(jì)算量是否已超出了限制范閘。 而積分分離法則是在被控量j i ：始跟蹤時(shí)( 馴偏差較火時(shí)) ，取消積分作用，讓 比例調(diào)節(jié)器起主導(dǎo)作用，當(dāng)被控量接近其給定值時(shí)( 即偏差e 減小到既定范圍) ， 再加入積分作用。這樣既可以避免超調(diào)，又可以縮短達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)問，起到積分 校正的預(yù)期效果。 3 2 存在的問題及解決方案可行性 3 2 1 現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題 對(duì)伺服系統(tǒng)的要求是其輸出應(yīng)能夠連續(xù)、平穩(wěn)地跟隨輸入的變化規(guī)律，即在 1 9 笙三至- 魚墮墮墮皇姿墮塹! ! 一一 系統(tǒng)的輸出速度與加速度未超過飆定的最大值時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠平穩(wěn)地跟蹤，并 保證一定的跟蹤精度。但實(shí)際的伺服系統(tǒng)在低速跟蹤時(shí)常常出現(xiàn)小均勻的跳變， 即所謂的“步迸”或“爬行”，使低速_ i 平滑，因i f i j l i 能滿足工作的需要。 該轉(zhuǎn)臺(tái)采用速度電流雙環(huán)控制方案剛，速度穩(wěn)定性最好時(shí)達(dá)到了0 0 0 4 。 s ( 1 1 。s 時(shí)) ，證明該控制系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、精度較高的伺 服系統(tǒng)了。但干摩擦力矩的影響并末完全得到補(bǔ)償，它的影響依舊非常顯著。 如圖3 9 ( a ) 和3 9 ( b ) 是不同位置測(cè)得的相同速度的階躍響應(yīng)，橫軸是時(shí)問 軸，單位為秒，縱軸為速度軸，單位為度秒?？梢钥?h ，盡管速度階躍輸入相同， 但響應(yīng)曲線卻明顯不同。這是山于低速時(shí)r 摩擦對(duì)速度穩(wěn)定性的反作用加劇了。 由于所用的p i d 方法是基于將物理系統(tǒng)近似為一個(gè)線性系統(tǒng)的分析方法，而 非線性特性在轉(zhuǎn)臺(tái)低速運(yùn)行時(shí)十分顯著，不能忽略?？趈 此沒想能否用非線性的 控制方法對(duì)低速時(shí)的干摩擦力矩加以補(bǔ)償? ( a ) 17 lo 1 8 0 0 的1 1 0 s 速度階躍響應(yīng) ( b ) 1 8 0 。1 8 9 。的1 1o s 速度階躍響應(yīng) 圖3 9 不同位置的速度階躍響應(yīng) 2 0 鶘二章庸秸度仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái) 3 , 2 2 解決方案及可行性分析 1 、伺服系統(tǒng)低速不平滑的原因 伺服系統(tǒng)低速不、卜滑的原因是它的運(yùn)動(dòng)部分存在干摩擦，下面通過伺服系統(tǒng) 的恒速跟蹤過程來分析干摩擦對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的影i 】l m 。 伺服系統(tǒng)中的干摩擦力矩m 一般可表示為 m = m 。s i g n 【i )( 3 一1 2 ) 式中，u 是運(yùn)動(dòng)角速度，當(dāng)( i 】 ( ) ，s i g n u = l ；當(dāng)( ) ( ) ，s j g n 。= 一1 。如圖3 1 0 ( a ) 所示。 這種近似表達(dá)式只有在系統(tǒng)輸出的角速度不太低時(shí)是正確的。當(dāng)系統(tǒng)輸出的 角速度u 低時(shí)，千摩擦的特性就比較復(fù)雜，如圖3 1 0 ( b ) 所示。當(dāng)u uc 時(shí)，干 摩擦力矩m 不是常值，它隨著角速度t o 的變化而改變。 jl f c 一 f t m j 硝c 衍 * b - t 一 弋 一耽 ( ) ( b ) 圖3 1 0 干摩擦特性 當(dāng)0 ( u 。時(shí)，干摩擦特性的斜率b = d m d 【i ) o ，越接近u = o ，ib i 越大；當(dāng) u = u 。時(shí)，b = 0 ；當(dāng)c 。 u 0 ?？梢?，當(dāng)t o 實(shí)現(xiàn)的位置環(huán) 生物神經(jīng)網(wǎng)的六個(gè)基本特征：1 ) 、神經(jīng)元及其聯(lián)接；2 ) 、神經(jīng)元之i 、日j 的連接 強(qiáng)度決定信號(hào)傳遞的強(qiáng)弱i3 ) 、神經(jīng)元之問的聯(lián)接強(qiáng)度是町以隨訓(xùn)練改變的；4 ) 、 信號(hào)可以是起刺激作用的，也可以是起抑制作川的。5 ) 、一個(gè)神經(jīng)元接收的信號(hào) 的累積效果決定該神經(jīng)元的狀態(tài)：6 ) 、每個(gè)神經(jīng)元j 以有一個(gè)閩值。 神經(jīng)元是構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最染術(shù)巾i ，人i i l 經(jīng)元模，型應(yīng)該只有生物神經(jīng)元 的六個(gè)雛本特征。 1 、神經(jīng)嘲絡(luò)技術(shù)的選墩 在決定采剛神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之附，應(yīng)首先考慮足仃仃必要采川神經(jīng)剛絡(luò)來解決 問題。事實(shí)上，采川任何技術(shù)都足以此為苗要原則。一般地，神經(jīng)嘲絡(luò)與經(jīng)典計(jì) 算方法相比并非優(yōu)越。只有當(dāng)常規(guī)方法無法解決或效果4 i 佳時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)j 能顯示 山其優(yōu)越性。尤其足當(dāng)對(duì)問題的機(jī)理等規(guī)律彳i 甚了解，或4 i 能f j 數(shù)學(xué)模型表示的 系統(tǒng)，如故障診斷、特征的提取和預(yù)測(cè)、非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制等，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 往往是最有力的工具。另一方研，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)處理人量原始數(shù)據(jù)而不能用規(guī)則或 公式描述的問題，表現(xiàn)出極大的靈活性和自適應(yīng)性。 筇舊章攛制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn) 2 、設(shè)汁網(wǎng)絡(luò)的原則和過程 在實(shí)際應(yīng)用中，面對(duì)個(gè)具體的應(yīng)用問題時(shí)，首先要分析用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求 解問題的性質(zhì)，然后根據(jù)問題特點(diǎn)，確定網(wǎng)絡(luò)模型。最后，通過網(wǎng)絡(luò)仿真分析， 確定網(wǎng)絡(luò)是否適合，是否需要修改。其具體過程如下： ( 1 ) 確定信息表達(dá)式 將領(lǐng)域問題及其相應(yīng)的領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)所能表達(dá)并能處理的形式，即 將領(lǐng)域問題提煉成適合網(wǎng)絡(luò)求解所能接收的某種數(shù)據(jù)形式。盡管應(yīng)用問題會(huì)多 樣化，但數(shù)據(jù)形式大致有以下兒類： 1 ) 已知數(shù)據(jù)樣本。 2 ) 已知一些互相蚓關(guān)系不明的數(shù)據(jù)樣本。 3 ) 輸入輸出模式為連續(xù)量、離散量。 4 ) 希望把所有輸入數(shù)擁按模式分類，希望識(shí)別具有平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等 變化的模式。 ( 2 ) 網(wǎng)絡(luò)模型選擇 這主要包括確定激活函數(shù)、聯(lián)接方式、各神經(jīng)元的相互作用等。另外還可 在典型網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的應(yīng)用問題特點(diǎn)，對(duì)原網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行變形、 擴(kuò)充，也可采用多種網(wǎng)絡(luò)模型的組合等。 ( 3 ) 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇 確定輸入、輸出神經(jīng)元的數(shù)目、多層網(wǎng)的層數(shù)和隱層神經(jīng)元的數(shù)日，還有 一些遞歸神經(jīng)元等問題。 ( 4 ) 學(xué)習(xí)訓(xùn)練算法的選擇 確定網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的學(xué)習(xí)規(guī)則及改進(jìn)學(xué)習(xí)規(guī)則。在訓(xùn)練時(shí)，還要結(jié)合具體 的算法，考慮初始化問題。 ( 5 ) 系統(tǒng)仿真的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn) 將應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決的領(lǐng)域問題與其它采h j 不同方法的仿真系統(tǒng)的效果 進(jìn)行比較。 總而言之，我們應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析，在求解4 i 同的問題時(shí)，采用不同的網(wǎng)絡(luò)模 到。 第p q 帝打；制系統(tǒng)的軟砸r i 實(shí)j 見 3 、i 向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 一般來說，有多個(gè)輸入的單個(gè)神經(jīng)冗，f 小能滿足實(shí)際應(yīng)剛的要求，在實(shí)際應(yīng) 用中需要有多個(gè)并行結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元。如圖4 1 0 的標(biāo)準(zhǔn)b p 網(wǎng)絡(luò)所示。 網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元接收前一級(jí)的輸入，并輸出到f 一級(jí)，網(wǎng)絡(luò)中沒有反饋，可 以用一個(gè)有向無環(huán)路圖表示，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)稱為前向網(wǎng)絡(luò)。前向網(wǎng)絡(luò)中的肖點(diǎn)分 為兩類，輸入節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)。每個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)可以有任意多個(gè)輸入，但只有一個(gè) 輸出。而輸出可以耦合到任意多個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的輸入。一般認(rèn)為最后一層為輸出節(jié) 點(diǎn)，輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)之間的中間層稱為隱層。 前向網(wǎng)絡(luò)的工作原理是映射，所以它是種 映射網(wǎng)絡(luò)。 從上面的討論可以看出，決定一個(gè)剛絡(luò)的神 經(jīng)元個(gè)數(shù)非常重要。網(wǎng)絡(luò)輸入輸山層神經(jīng)元的個(gè) 數(shù)由問題的外部描述決定，但外部問題并沒有直 接指明隱含層需要的神經(jīng)元數(shù)r 1 。實(shí)際上，精確 預(yù)測(cè)隱含層所需要的神經(jīng)元數(shù)r 1 幣今仍然存n ： 些理論i -