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1、 计算机控制技术课程设计报告 题 目 基于最小拍控制的直流伺服电机控制系统设计 授课教师 学生姓名 学 号 专 业 电子信息科学与技术教学单位 物理系 完成时间 2013年7月6日 目 录1引言12系统设计与论证32.1系统总体设计思路32.2系统模块42.2.1输入模块42.2.2反馈环节42.2.3显示模块52.2.4 控制器的设计52.3 硬件设计与调试7 2.4软件设计与调试.9 3系统测试103.1开环状态测试103.2闭环状态测试10 4设计总结11参考文献 11附录 12系统硬件整体电路图 12 摘要 最小拍控制的直流伺服电机控制系统的工作原理是：测量元件(位移传感器)对被控制对
2、象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A/D转换器)将被控参数变成一定形式的信号 ，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定信号（位移量）保持一致。 关键词：最少拍控制 数字控制器 直流伺服电机 控制系统 1引言 在数字化与计算机控制的当今时代，我们可以方便地利用计算机作为控制器来实现系统的控制，而在实际设计中我们往往是从被控制对象的特征出发来设计数字控制器，即采用直接设计法。下面，先简要阐述直接设计法的基本原理及设计步骤，并举例说明
3、在实际生活中很实用的最少拍无差控制设计系统。 如图1-1所示的离散控制系统中， G c(s)为被控对象， 广义对象的脉冲传递函数，其中代表零阶保持器，D(z)代表被设计的数字 控制器，(z)为系统的闭环脉冲传递函数，其表达式为 图1.1 采样系统结构图系统设计的目标，是要设计一个数字控制器的脉冲传递函数D(z)，利用它来控制被控制对象，达到期望的性能指标。由式（1-1）可得 由式（1-2）可知，当已知G(z)时，只要根据设计要求选择好(z)，就可求得D(z)。因此，在已知对象特征的前提下，设计步骤为：1） 求得带零阶保持器的被控对象的广义脉冲的传递函数G(z)。2） 根据系统的性能指标要求以及
4、实现的约束条件构造闭环z传递函数(z)。3） 依据式（4-2）确定数字控制器的传递函数D(z)。4)有D（z)确定控制算法并编写程序。 在数字随动控制系统，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最小拍控制就是为满足这一要求的一种离散化设计方法。所谓的最小拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数有以下形式：式中，N是可能情况下的最小正整数。这一形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内达到稳态。 对最小拍控制系统的设计的具体要求如下： 1）准确性要求 对典型的参考输入信号，在到达稳态后，系统在采样点的输出值
5、能准确跟踪输入信号，不存在静差。 2）快速性要求 在各种使系统在有限拍内到达稳态的设计中，系统准确跟踪输入信号所需的采样周期数应为最少。 3）稳定性要求 数字控制器D（z）必须在物理上可以实现且闭环系统必须是稳定的。由此，我们在设计最小拍控制的直流伺服电机控制系统时，可以参考最小拍控制系统的特点来进行设计。 最小拍控制器有其局限性：1、最小拍控制器对典型输入的适应性较差。一种典型的最小拍闭环脉冲传递函数只适应一种特定的输入而不能适应于各种输入。2、最小拍控制器的可实现性问题。对于某些对象的脉冲传递函数，如:那么所设计的闭环脉冲传递函数中必须含有纯滞后，且滞后时间至少要等于被控对象的滞后时间。否
6、则系统的响应超前于被控对象的输入，这在实际中是实现不了的。3、最小拍控制的稳定性问题。在选择时必须有一个约束条件（稳定性条件）D（z）的零点和G（z）的不稳定极点能够完全对消。2系统设计与论证2.1系统总体设计思路充分理解题意并分析后，我们将系统分为以下几个部分进行设计：中央控制器（AT89S52）、输入模块、反馈环节、显示模块、数模转化模块、放大模块和电源模块。根据分析系统设计框图如图2-1所示：图2.1 系统设计框图输入模块使用4*4键盘，主要功能是设定要求的电机转速值。电机转速通过按键输入信号经过中央处理器处理后从LCD（1602液晶显示屏）上显示。利用中央处理器读取输入值，通过用程序设
7、计好的的最小拍控制器调节输出，其中包括电机转速的反馈，最后经过模数转化模块DAC0808转化成电压信号，再经过运算放大器放大电压信号，将此电压信号加在电机两端，作为电机的端电压。 2.2系统模块2.2.1输入模块1.按键部分键盘及接口电路的设计方案： 直接使用IO口的键盘连接电路。由于AT89S52的IO口具有输出锁存和输入缓冲的功能，因而他们组成键盘电路时，可省去输出锁存器和输入缓冲器，键位的列线、行线直接分别与单片机中接口相连.所以，我们采用44矩阵式键盘电路。2.键盘扫描方式的方案选择：方案一：采用定时扫描方式。此扫描方式每隔一段时间对键盘扫描一次，通常利用单片机内部定时器，产生10ms
8、的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。方案二：采用中断扫描方式。此扫描方式是在键盘上有键盘合上时才产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判断键盘上闭合键的键号，并作出相应的处理。方案三：采用循环扫描方式。次扫描方式就是在主程序中一直在扫描键盘，只要有键按下，就响应键盘请求，求取键值。 因为本设计的程序并不复杂，采用循环扫描可以很好的响应键盘输入，并不影响其他功能的实现。2.2.2反馈环节 反馈环节是本设计实现最小拍控制必不可少的部分，由测量元件(位移传感器)对被控制对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际
9、位移量)与给定信号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定信号（位移位移量）保持一致。本设计中，电机的转速会以一个方波的形式从电机上输出，相当于一个编码器的作用。方波的频率和电机的转速成线性关系，所以在程序中设计一个频率计，就可以很好的测得当前的电机转速，从而反馈给控制器进行调节。2.2.3显示模块显示模块有以下两种设计方案：方案一：采用LCD(1602液晶显示屏)来显示电机的设定值。方案二：采用LED数码管显示电机的设定值。本设计采用的是方案一。因为用LCD显示界面更友好，只要对相应的显示驱动程序有一定的
10、了解就能完成显示功能，节省CPU的资源。如果用LED数码管显示，就需要用多位的动态扫描方式，这样的设计既浪费CPU资源，同时界面显示效果并不理想。2.2.4 控制器的设计由系统任务书中我们可得被控对象的传递函数为： 其中： =1.8，=0.15，K =100，=0.035 通过Z变换得脉冲传递函数公式为：令T=1s得G(Z)=Z =100(1-) =显然 u=0,v=1,m=1用单位速度输入，所以q=2根据稳定性要求，G(z)中的z=1的极点应包含在(z)的零点中；另一方面，对于单位速度输入设计时，由准确性条件知(z)必须包含(1-)这一因子。所以，准确性条件中已经满足或包含了稳定性条件要求，
11、故(z)可降一阶设计，可设 (z)= (+) (z)=(1-)所以我们有以下方程组： (1)=+=1 (1)=+2=0解得 =2，=-1 故闭环脉冲传递函数为： (z)= (2-) (z)=(1-)所以 数字控制器的脉冲传递函数：系统的输出：C(z)=R(z)(z)数字控制器的输出为： 2.3 硬件设计与调试 我们将系统的几个部分进行硬件电路实现：中央控制器（STC89C52）、输入模块、反馈环节、显示模块、数模转化模块、电源模块。电路图如下： 图2.3.1. 中央控制器 图2.3.2显示模块 图2.3.3输入模块2.4 软件设计与调试 通过单片机软件设计，本系统主要完成的功能是，通过键盘输入
12、目标的电机转速，系统通过最下拍控制器调节使电机的转速达到设定值。这其中还包括设定值的显示，和电机转速的采集，以及电压信号的输出。系统的主程序流程图如下：开始系统初始化（I/O口，LCD，中断）光标闪烁，等待输入目标值并确认判断是否有键按下判断按键功能判断输入值是否在范围内光标闪烁，等待输入目标值并确认LCD显示“input ERR”N 非A键Y A键 N Y 中断程序流程图： 3系统测试3.1开环状态测试开环状态下，未在系统中加入闭环，通过键盘我们给定电机一个预期转速值。确定之后，电机在初始状态以很大的扭矩驱使电机转动，随着电机转速实际值渐进给定值时，单位时间内转速的增加值慢慢增大，但是没有超
13、调量，最后达到无静差状态。这样的调节时间比较长。3.2闭环状态测试通过对电机转速的测得，系统实现了闭环控制。这样我们通过键盘设定一个目标值，电机会通过最小拍控制器对电机的工作状态进行调节。从而达到预期的控制效果。加入闭环后，系统的调节时间减小了，但是出现了一定的超调。通过proteus仿真可以直观的看到控制效果。4设计总结 通过这次计算机控制系统课程设计，我们对课本有关数字控制器的直接设计，最小拍无差系统设计等知识有了进一步的了解，由于此课程设计设计的知识点较多，有信号系统中的Z变换，拉氏变换，自动控制与系统中的零阶保持器等知识点，还有许多与我们专业有关的科目，这就增加了我们的难度：同时我们也用到Altium Designer 等一些画图仿真软件，这都锻炼了我们的动手能力，学以致用的能力。在这次课程设计中。我感到力不从心，基础理论知识掌握不扎实，自己知道原本用MATLAB可以解决许多问题（可以用MATLAB仿真出设计结果），但自己不会用MATLAB编程，没学好这强大的软件，导致在设计过程中相当被动，同时Altium Designer也没学好，导致画
