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1、 目 录第一章 概述 .11.1 题目背景及应用意义 .11.2 本文内容及工作安排 .1第二章 系统组成及被控对象分析 .32.1 系统组成 .32.2 被控对象分析 .4第三章 控制策略设计及仿真研究 .73.1 控制策略设计 .73.2 仿真研究 .8第四章 控制策略实现 .114.1 组态环境下控制策略编程实现 .114.2 运行结果分析 .14第五章 总结 .15参考文献 .16附录 被控对象 S 函数源代码 .17内蒙古工业大学课程设计说明书1第一章 概述1.1 题目背景及应用意义随着工业科技的高速发展，当今的工业技术要求也不停的在提高，不停地在更新。而且对计算机的依赖也越来越广泛
2、。因此，在工业上计算机控制可以说是无处不在。也是正因为如此我们此次的设计变得非常的有价值。通过数字控制来实现一个稳定得系统。这是一个很有使用性的问题。数控系统的加工精度和加工效率都较高，特别适合于工艺复杂的单件或小批量生产。它广泛用于工具制造、机械加工、汽车制造和造船工业等。而我们本次设计的基于模拟对象数字控制系统是仿真实际应用中的数字控制系统的。采用数字技术实现各种控制功能的自动控制系统。数字控制系统的特点是系统中一处或几处的信号具有数字代码的形式。它的主要类型是计算机控制系统，包括计算机监督控制系统、直接数字控制系统、计算机多级控制系统和分散控制系统。数字控制系统是在 1970 年左右为了
3、满足当时广泛出现的复杂、精确和多功能的控制要求而发展起来的。早期的数字控制系统采用射流元件等逻辑控制元件和可编程序控制器来构成。这种数字控制系统由于设计上简单,使用上可靠,且控制器的通用性好,很快得到广泛应用。70 年代后期,各类性能好、功能多、价格低的小型计算机和微型计算机的迅速发展，促进了以计算机为基础的数字控制系统的广泛应用。 在数字控制系统中，计算机的作用主要有三个方面：信息处理。对于复杂的控制系统，输入和偏差信号的计算(例如导航平台中指向误差的计算)工作量很大，而模拟解算装置不能满足精度要求，需要采用数字计算机。用数字计算机内的校正程序来保证控制系统具有所要求的动态特性，使系统实现自
4、适应控制、最优控制等高级控制功能。登月飞船在开始阶段到燃料接近用完时，飞船的特性是随时间变化的，需要用数字计算机的校正程序来保证飞船控制系统在每个阶段都具有良好的稳定性。多功能计算调节。 在很多情况下，数字控制系统这一术语也常用来表示数字计算机作为控制器的采样控制系统。下图为这种控制系统的组成框图，其中系统的数字控制器由模数转内蒙古工业大学课程设计说明书2换器、计算机中央处理机和数模转换器组成。模数转换器将来自采样器的离散的模拟偏差量转换成数字偏差量（称为量化） ，由中央处理机根据控制算法计算出数字控制量，再由数模转换器将它转换成离散的模拟控制量，最后由保持器转换成连续控制量。控制用的计算机系
5、统除了计算机与过程的接口（采样器、模数转换器、数模转换器和保持器）需要单独设计外，在实时计算、软件编制和控制算法方面也需要专门设计。数字控制系统可应用采样控制理论来分析和设计。在数字控制系统中，数字量化造成的误差可能引起周期振荡等特殊问题。总之，我们本次的设计是基于实际应用、基于现实控制的一次仿真。这也是他的价值所在。1.2 本文内容及工作安排本课程设计，主要是基于计算机控制、模拟电子技术、自控原理等课程的知识的一次实践与应用。本次课程设计我们的任务是基于模拟对象数字控制系统的设计与实现 。对于一个模拟量的输入与输出，设计一个数字控制器进行控制，用MATLAB、力控组态等软件进行模拟分析，达到
6、我们的设计目标。本说明书第一章，简单讲述了本门儿学科及本次课程设计的应用背景和应用意义。第二章，对被控制对象的系统组成的模拟电路原理图进行分析,并抽象出其递函数从而进行数学建模，在 MATLAB 中进行仿真。观察曲线，并记录其超调量、上升时间等参数。第三章，设计控制策略的模型，算出传递函数，把设计的超调量、上升时间、调节时间等参数在 MATLAB 中进行仿真，分析仿真波形和 BODE 图是否符合设计内蒙古工业大学课程设计说明书3的参数。第四章，利用实验和仿真得到的数据在力控组态软件环境下对控制策略进行编程。运行后得到的各个参数比较纯理论上和实物上的各项差别。第五章，对本次任务总结。简述本次任务
7、的主要重点和难点以及对本次课设的心得体会。第二章 系统组成及被控对象分析2.1 系统组成本设计所用到的系统的原理图如图（1）所示。图（1）内蒙古工业大学课程设计说明书4如上图所示，系统的主要组成部分为输入信号、反馈信号、比较限幅环节、电平转换环节、数字控制器、控制对象等几个部分。输入信号：通过控制开关，可以给系统输入阶跃信号。反馈信号：通过反馈信号我们可以调节和观察系统的稳定性。比较限幅环节和电平转换环节：是电路对信息采集卡的一个保护环节，使其不会因为输入信号的过大而烧坏信号采集卡，同时它也是后面控制器的输入信号，将模拟量的信号转换为可用数字控制器 A/D 所需的电平信号。数字控制器：依据被控
8、对象的输出要求进行的算法和控制的集合，是需要设计者根据经验和推到来实现的。它是有 A/D 转换、数字滤波、求补码数字控制器、数字限幅、求原码和 D/A 转换 7 个部分组成。被控对象：是对输入做出响应的一端。整个系统，在输入信号的作用下经过比较限幅环节和电平转换环节到达数字控制器，经过其整定出一个信号作用被控对象，使它的输出响应达到设计工程要求的各种参数要求这就是这个电路的工作原理。2.2 被控对象分析本设计中我们用到的被控对象原理图如图（2）所示。图（2） 我们通过对电源里图的分析可以算出原理图的传递函数。内蒙古工业大学课程设计说明书5具体步骤如下；对于第一个放大器将个串联的电容合并有： 1
9、21342eeCg经 “虚短”和“虚断”的原理可以得出： 1211ieoeoUsCSsSUsR即： 12iiesS同上可以得到： 1783eCg同样由 “虚短”和“虚断”的原理可以得到： 12232oooeUdUCRt经过拉氏变换得到：内蒙古工业大学课程设计说明书6123223ooeoUssCSUsR则第二个运放的传递函数为： 2312oeUsRCS由以上两个运算放大器的计算经数学推导可以得到最终的输出和输入之间的传递函数为： 2 3122oi e eUs RRCSCS312123eeSRC1KT在以上的运算式中与被控对象运力图中对应的各参数及其数值为:= =100k； = =200k; =
10、=410k; = = = =10; = =11R32R133R121C217813C4经过以上公式的各步骤计算可以得到所需的参数值为：=5F； =0.5F； =5F； =3.73; =2.051eC2e3eCKT由得到的匹配参数，模拟控制对象的传递函数为： 23.7051oiUsSs经过上面的所有运算，模拟被控对象的数学建模全部完成。内蒙古工业大学课程设计说明书7第三章 控制策略设计及仿真研究3.1 控制策略设计本设计的控制器要求对控制对象最后的输出参数为：超调量 %=15%； 阻尼比 =0.6； 上升时间 t=2.0s;则可设控制器的传递函数： 2.051KsDsb进而可得加入控制器的开环传
11、递函数为：2.0513.7KsDsGbsg有自控原理中的公式可以得出：=0.6cos则得出： =0.93radrdt又可得到： rad/s1.47由公式： 2dn得到： rad/s.835则由： 27nk得到： b=0.91=2.205到此传递函数的所有参数均以确定，故得到了控制器的传递函数： 0.9125sDs内蒙古工业大学课程设计说明书8而加入控制器的开环传递函数为： 3.941205DsGs到这里控制器的设计和传递函数的计算全部结束。3.2 仿真研究在 MATLAB 中打开 SIMULINK 的窗口，进入 simulink 仿真环境中根据所得出的控制器传递函数和被控对象的传递函数建立仿真
12、模型如图（3） 。图（3）观察和比较被控对象系统，有控制器和没有控制器的两种情况下的系统的响应波形。波形如图（4）所示（红色为无控制器的响应曲线，蓝色为有控制器的） 。内蒙古工业大学课程设计说明书9图（4） 通过波形图的对比可以得到，在时间 t=1s 时给输入阶跃信号各项响应参数分别为：无 控 制 器 有 控 制 器上升时间 （s）rt2.23 1.5峰值时间 （s）p3.4 2.1调节时间 （s）t11.75 4.1延迟时间 （s）d1.83 0.74超调量 % 56.07% 9%由各项数据的对比可以得到，在加入控制器后，各项参数性能均有很大的提高，而且系统的稳定性也可以有其 BODE 图看
13、出来，无控制器系统 BODE 图如图（5）所示，带有控制器的 BODE 图如图（6） 。内蒙古工业大学课程设计说明书10图（5）图（6）内蒙古工业大学课程设计说明书11从带有控制器的 BODE 图中可以看到，系统的穿越角频率和相角裕度有有很大的提高，系统的稳定性大大的提高了。第四章 控制策略实现4.1 组态环境下控制策略编程实现在力控下的控制策略编程实现的流程如下；1，新建工程，如下图。2，设备配置，如下图。内蒙古工业大学课程设计说明书123，I/0 点的连接，如下图。4，通道设置，如下图。内蒙古工业大学课程设计说明书135，AI 数据连接设置，如下图。6，创建历史趋势表格设置参数，如下图。内蒙古
