计算机控制系统应用实例.pptx
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1、1计算机控制系统计算机控制系统依审定的教材大纲编写。主编人:高金源 夏洁出版发行:清华大学出版社第1页/共45页2计算机控制系统的设计原则1.可靠性高2.操作性好3.实时性强4.通用性好、便于扩充5.经济效益高第2页/共45页3计算机控制系统设计内容和步骤:系统总体控制方案设计;系统硬件设计、选择与开发;软硬件的可靠性设计;确定满足一定经济指标的目标函数,建立被控对象的数学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计;软件设计与开发;系统整体调试等。微机控制系统设计,虽然随控制对象、设备种类、微机控制系统设计,虽然随控制对象、设备种类、控制方式、规模大小等不同而有所差异,但系统设计控制方式、规模大小
2、等不同而有所差异,但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括:的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括:第3页/共45页410.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统第4页/共45页5双摆实验控制系统介绍1.双摆实验控制系统组成第5页/共45页62.双摆实验控制系统性能指标 本实验系统控制的目的是:当滑车在导轨上以一定速度和加速度运动时,应保持双摆的摆动角度最小;或双摆有任一初始摆角时,系统将使双摆迅速返回平衡位置。为实现上述控制目的,提出如下性能指标要求:(1)计算机D/A输出100mV时,电机应启动。(2)滑车最
3、大运动速度为 0.4ms,D/A的最大输出对应滑车的最大运行速度。(3)当有较大的初始扰动(上摆角初始角度为50o)时,上下摆的摆角到达稳态时间5s6s,摆动次数34次。(4)当滑车从偏离零位处回归零位时,上下摆的摆角到达稳态时间5s6s,摆动次数34次。第6页/共45页7双摆控制系统的整体方案整个系统结构示意图如图10-2所示,控制系统方块图如图10-3所示。图图10-2 双摆计算机控制系统结构图双摆计算机控制系统结构图图图10-3 双摆计算机控制系统方块图双摆计算机控制系统方块图第7页/共45页8双摆系统数学建模利用拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当的简化,以得到在小扰动情况下
4、系统的线性化状态方程。非保守系统的非保守系统的拉格朗日方程拉格朗日方程 L:拉格朗日函数=系统的总能量-系统的总势能 系统各个自由度的广义坐标 广义坐标对于时间的一阶导数 驱动每个自由度运动的广义力或力矩 系统自由度数 第8页/共45页91.以控制力为输入建立双摆系统的数学模型:拖动电机对于滑车的控制力:滑车质量:上摆关节的质量:下摆关节的质量(包括摆锤):滑车距参考坐标系原点的横坐标:上摆质心距滑车铰链的长度:关节铰链距滑车铰链的长度(上摆杆的摆长):关节铰链距下摆质心的长度:上摆摆动角度:下摆摆动角度:下摆关节摆动角度,且满足:上摆摆杆的转动惯量:下摆摆杆的转动惯量图图10-4 双摆系统受
5、力分析图双摆系统受力分析图第9页/共45页10滑车双摆系统是具有三个自由度的机械系统,其第一个自由度的广义驱动力由力矩电机产生,第二、三个自由度均为摆杆相对于铰链的自由摆动,广义力为零。建立系统的拉格朗日方程如下:建立系统的拉格朗日方程如下:第10页/共45页11作以下的简化:忽略由速度引起的向心力和哥氏力 (为上摆杆长度),可视为下摆杆长度 令令 车位置 车速度 双摆系统在平衡位置附近的线性状态方程:上摆角 上摆角速率 下摆角速率 下摆角 第11页/共45页122.建立电机加双摆对象的数学模型直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后,可以视为一个二阶的线性系统。即有图图10-5 电机
6、模型电机模型第12页/共45页13进行适当的整合,就可得到平衡位置附近处电机加双摆对象的数学模型:第13页/共45页14系统回路控制设计1.系统的速度环设计执行电机的死区达到1V,即有 为满足克服死区电压的指标要求,引为满足克服死区电压的指标要求,引入模拟放大环节,使入模拟放大环节,使D/A输出输出0.1V时电机启动,则从计算机输出点到控时电机启动,则从计算机输出点到控制电机输入点之间的放大倍数必须满制电机输入点之间的放大倍数必须满足足 为了满足为了满足D/A输出满量程输出满量程5V时对应滑车最大速度时对应滑车最大速度0.4ms的的要求,需要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度反馈。要求,需
7、要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度反馈。采用采用稳态数值,有稳态数值,有 图图10-6 双摆控制系统的模拟内环双摆控制系统的模拟内环第14页/共45页15考虑放大器箱的放大倍数,D/A输出电压u满足:则描述系统的线性化状态方程(10-8)可以改写为 令令第15页/共45页162.采样周期的选取根据电机的模型以及电机的相关参数可知,该电机的机电时间常数为:(s)根据采样周期的选取原则,可以将采样周期选择为:第16页/共45页173.系统位置环设计(控制律设计)这里采用无限时间离散二次型的代价函数:其中Q、R阵的初始设置如下:可利用可利用Matlab中的函数中的函数dlqr计算得反馈增益计算
8、得反馈增益K等:等:K,P,e=dlqr(F,G,Q,R)车位置、上摆角度、下摆角度可直接测量并用于状态反馈;车速度、上下摆角的速度不可直接测量,这里采用位移量差分计算得到 第17页/共45页18软件设计图图10-7 双摆计算机控制系统的程序流程图双摆计算机控制系统的程序流程图第18页/共45页19闭环控制实验结果1.摆角扰动闭环控制(上摆角初始扰动角度50o)图10-8 未加控制的上摆角曲线 图10-9未加控制的下摆角曲线 图10-10 施加最优控制的上摆角曲线图10-11施加最优控制的下摆角曲线 横轴为时间轴,单位为s,纵轴为角度轴,单位为(o)第19页/共45页202.滑车位置回零控制(
9、滑车从-0.3m处回归零位)图10-12 未加控制的上摆角曲线 图10-13未加控制的下摆角曲线图10-14 施加最优控制的上摆角曲线 图10-15施加最优控制的下摆角曲线 横轴为时间轴,单位为s,纵轴为角度轴,单位为(o)第20页/共45页2110.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统第21页/共45页2210.2 转台计算机伺服控制系统设计“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。“高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强;“超低速”反映系统的低速平稳性好;“宽调速”可提供很宽的调速范围;“高精度
10、”指系统跟踪指令信号的准确程度高。第22页/共45页23转台系统介绍图图10-16 三轴模拟转台及其示意图三轴模拟转台及其示意图第23页/共45页24三轴测试转台的总体控制结构转台三个框架的控制是相互独立的,因此转台的控制系统可以采用如图10-17所示的原理方案。图图10-17 三轴测试转台系统总体控制结构图三轴测试转台系统总体控制结构图第24页/共45页25转台单框的数学模型 由于转台三个框架的控制是相互独立的,因此可以分别对每个由于转台三个框架的控制是相互独立的,因此可以分别对每个框架的控制系统进行设计。框架的控制系统进行设计。进行拉氏变换,忽略电枢电感,得到电枢电压与输出角速进行拉氏变换
11、,忽略电枢电感,得到电枢电压与输出角速度之间的传递函数度之间的传递函数第25页/共45页26转台单框控制回路设计 一般的设计过程是从内向外,依次设计电流环、速度环和位置环,根据系统整体的性能指标,适当分配相应的设计指标,按典型系统设计控制及补偿环节。图图10-18 转台控制系统框图转台控制系统框图第26页/共45页271.电流环设计电流环负反馈可以充分利用电机所允许的过载能力,同时限制电流的最大值,从而对电机启动或制动器起到快速的保护作用。设计得到的电流环控制器直接在功放硬件电路中实现。在电流环的具体设计中,参照仿真模型加入PI控制器,通过具体的实验验证设计结果。一般要求设计后的电流环回路响应
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