計算機控制系統(tǒng)課設(基于模擬對象的數(shù)字控制系統(tǒng)的設計)

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學課程設計說明書摘要隨著數(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。本課設提出了基于模擬對象的數(shù)字控制系統(tǒng)的設計。通過對模擬對象進行數(shù)學建模，并根據(jù)要達到的控制性能指標設計控制策略，在MABLAB中進行仿真，并通過力控組態(tài)軟件實現(xiàn)運行，取得了較好的控制效果。通過本課程設計，可以加深對模擬對象的分析、建模、仿真已及利用組態(tài)軟件來實現(xiàn)的理解，熟悉和掌握控制系統(tǒng)設計的方法，對提高學生觀察、分析和解決問題能力有很大幫助。 關鍵詞：模擬對象，MABLAB，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 題目背景及應用意義1

2、1.2 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 控制策略設計及仿真研究43.1 控制策略設計43.2 仿真研究8第四章 控制策略實現(xiàn)104.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實現(xiàn)104.2 運行結(jié)果分析14第五章 總結(jié)15參考文獻16 第一章 概述1.1 題目背景及應用意義我們組設計的題目是基于模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的設計與實踐。數(shù)字控制器應用非常靈活，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)先進的控制技術，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)揮著重要的作用。根據(jù)模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的組成、

3、工作原理，通過對模擬對象建立數(shù)學模型。根據(jù)所給的被控對象的動態(tài)性能指標分析控制算法，設計所需要的控制器，來實現(xiàn)性能指標的要求?；谀M對象數(shù)字控制系統(tǒng)的實驗主要由計算機、多功能數(shù)據(jù)采集卡和模擬對象電路板組成。在實物應用之前先通過計算機模擬的仿真，再在仿真過程中發(fā)現(xiàn)不足之處并予以改進，把設計方案完善，使仿真設計達到要求即可，然后我們就可以進行實物上的實驗。1.2 本文內(nèi)容及工作安排我們組設計的主要內(nèi)容大體分為幾個部分：被控對象的數(shù)學建模、控制器的設計、計算機的模擬仿真、控制算法設計、實物運行。 第1章 主要是關于模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)的背景和應用意義 ，還有就是闡述本文的具體內(nèi)容和工作安排情況。第

4、2章 主要是了解系統(tǒng)的組成和被控對象的分析，較為基礎，為后面的數(shù)學建模奠定基礎，這也是本設計的最為重要的一部分。第3章 主要是控制策略的設計及仿真研究，進行截圖和性能分析。第4章 主要說明控制策略是如何在實物上實現(xiàn)的。第5章 主要是總結(jié)一下在實驗過程中的心得體會。諸如所學到的東西，所遇到過的問題并如何處理還有一些參考文獻中的知識。 第二章 系統(tǒng)組成及被控對象分析2.1 系統(tǒng)組成 本設計的實驗裝置主要由計算機、多功能數(shù)據(jù)采集卡和模擬對象電路板組成。1.計算機 用來完成控制策略的仿真研究和實現(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時采集數(shù)據(jù)送入計

5、算機，并把經(jīng)過計算機內(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 采用運算放大器和阻容元件組成的實驗對象，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，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)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，對電路板起保護作用。電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：將模擬信號轉(zhuǎn)換為電平信號

6、，其輸出作為被控對象的輸入。被控對象：要控制的目標。2.2 被控對象分析被控對象原理圖如圖2-2： 圖2-2 被控對象原理圖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：，, 慣性：，, ， 被控對象：第三章 控制策略設計及仿真研究3.1 控制策略設計被控對象傳遞函數(shù)為：閉環(huán)傳遞函數(shù)為：化為標準型： 可以得到對應的，超調(diào) 相角裕度 穿越頻率 調(diào)節(jié)時間采用串聯(lián)超前校正，校正參數(shù) 則 校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為： 校正后傳遞函數(shù)為： 3.2 仿真研究校正以前階躍響應曲線以及波特圖如下：圖3-1 校正前階躍響應曲線 圖3-2 校正前波特圖校正以后階躍響應曲線以及波特圖如下：圖3-3 校正后

7、階躍響應曲線圖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工具盒中進行仿真：圖3-5 simulink截圖圖3-6 響應曲線圖中綠色的是不加校正環(huán)節(jié)得到的響應曲線，藍色的是加校正環(huán)節(jié)得到的響應曲線，由圖可以看出，系統(tǒng)的性能有了很大的提高。校正前后性能指標對比如下：性能指標超調(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 第四章 控制策略實現(xiàn)4.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實現(xiàn)在力控下的控制策略編程實現(xiàn)的流程如下：1. 新建工程。 圖4-1 新建工程 2.進入開發(fā)系統(tǒng)，點窗口，設置窗口屬性。圖

8、4-2 設置窗口屬性3. 設置I/O設備驅(qū)動。選擇板卡中泰PCI_8333,設備配置。圖4-3 設備設置4. 進入數(shù)據(jù)庫組態(tài)，設置通道。圖4-4設置輸入通道圖4-5 設置輸出通道5. 進入控制策略編輯器，建立控制策略。圖4-6 建立控制策略6.建立歷史趨勢表格，設置歷史趨勢組態(tài)。圖4-7 建立歷史表格圖4-8 設置歷史趨勢組態(tài)7.在開發(fā)系統(tǒng)頁面，點文件全部保存，進入運行。同時讓控制策略進入運行組態(tài)。觀察運行結(jié)果。4.2 運行結(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。按下開關給階躍信號曲線向上變化，松開開關曲線向下變化，曲線回到按下開關之前，輸出跟隨輸入，結(jié)果比較理想。測得各

9、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。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) 這兩周的課設使我對計算機控制這門課有了更進一步的了解，尤其對模擬對象數(shù)字控制系統(tǒng)有了更深層次的認識。在完成題目的過程中，我學會了MATLAB軟件和力控軟件的基本使用方法。在這個實驗中我主要負責控制策略的實現(xiàn)。首先是對力控軟件進行設置主要包括IO端口和PCI8333板卡的連接、數(shù)據(jù)庫DB的設置、控制策略的設計以及實時趨勢組態(tài)的設置，其次是將被控對象接入

10、控制系統(tǒng)中并進行運行觀察，最后由運行曲線觀察系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)變化，使得到的曲線規(guī)律滿足系統(tǒng)設計的要求。當然在實驗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)過不斷的試驗還是出現(xiàn)這種現(xiàn)象，我們就認為可能是數(shù)據(jù)采集卡出現(xiàn)了問題，后來換了臺機器，這種現(xiàn)象就不存在啦。這些天的實驗，使我明白了很多。單純的理論必須通過不斷的實踐的結(jié)合，才能使我們更清楚的學習到一些知識。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、實踐，找出病因，盡量的實現(xiàn)結(jié)果。我們還需在試驗過程中保持很