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1、摘 要在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性。实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多不足。随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。数字随动系统 是输出量以一定精度复现输入量变化的自动控制系统, 它在对生产过程和运动对象的控制中, 以及在定位、瞄准、跟
2、踪等装置中都占有显著的地位, 现己成为各种自动调节系统的组成部分。本文的研究对象是数字随动系统,并结合数字随动系统的原理设计一个比较简单的数字随动系统实验装置。关键字：快速跟踪 准确定位 伺服控制系统 数字控制装置 数字随动系统AbstractIn the control system, if the input signal is given in advance of the unknown and change over time, and change due to the change in output with the input, this kind of system is
3、called a servo system.Is fast tracking and accurate positioning servo system of two important technical indicators.Servo control systems are often used for traditional analog servo system, using operational amplifiers and peripheral resistance, capacitance components to achieve scale, differential,
4、integral calibration network, to improve the system of dynamic and static characteristics.In the actual work we are simulating algorithm of servo system with rigid, circuit debugging cumbersome and inadequate systems respond slowly and many other.With the rapid development of computer technology, mo
5、dern control theory, by numeric control servo system of the digital servo system came into being.Digital Servo System output to a certain precision replication change the input volume control system.It in and moving objects in the control of the production process, and in positioning, targeting, tra
6、cking, and occupies a prominent position in the device.It has become an integral part of all kinds of automatic control system.This object is the study of digital servo system, and combined with a digital servo system design of experimental device for a digital servo system is relatively simple.Keyw
7、ords：Fast-track Accurate positioning Servo control system Digital control unit Digital Servo System目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 随动系统的发展过程- 2 -1.3 研究的意义- 3 -第2章 随动控制系统- 5 -2.1 随动系统的分类- 5 -2.2 随动系统的结构组成- 6 -2.3 随动系统的控制要求- 7 -2.4 应用随动系统的目的- 8 -第3章 总体设计方案及论证- 9 -3.1 设计任务及基本要求- 9 -3.2 设计总体方案- 9 -3.3 微处理
8、器选择- 12 -3.3.1 MCS51系列单片机内部结构- 12 -3.3.2 DSP系列微处理器- 13 -3.3.3 PLC可编程控制器- 13 -3.4 检测环节的方案论证- 15 -3.5 外围电路设计- 19 -3.6 系统设计总框架图- 20 -第4章 硬件电路设计- 21 -4.1 MCS51系列单片机内部结构和引脚说明- 21 -4.2 系统时钟电路设计- 24 -4.3 复位电路- 25 -4.4 键盘/显示电路设计- 26 -4.4.1 键盘电路- 26 -4.4.2 LED显示电路- 27 -4.5 串口设计- 29 -4.6 检测电路- 30 -4.6.1 增量式光电
9、编码器结构与工作原理- 30 -4.6.2 增量式光电编码器的输出信号及位置检测原理- 31 -4.7 电动机驱动电路- 32 -4.7.1 LM629芯片介绍- 32 -4.7.2 电动机驱动芯片选择- 35 -4.7.3 LMD18200芯片介绍- 37 -4.8 给定电动机检测及D触发器辨向电路- 39 -4.9 系统电源及保护- 40 -第5章 系统软件设计- 42 -5.1 数字控制器设计- 42 -5.2 系统的主程序框图及程序清单- 43 -5.3 数字触发器的软件设计- 44 -5.3.1 外部中断服务程序- 45 -5.3.2 定时器T0中断服务程序- 47 -第6章 数字随
10、动系统控制精度分析- 49 -6.1 检测误差- 49 -6.2 系统误差- 49 -6.3 扰动误差- 51 -总 结- 52 -致 谢- 53 -参考文献- 54 -附录1 程序清单- 55 -1.1 主程序清单:- 55 -1.2 T0中断服务程序- 56 -附录2 硬件连接图- 58 - 48 -第1章 绪 论1.1 概述随动系统（也叫伺服系统）是自动控制系统中的一类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地重复输入信号的变化规律。随着科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术和电力电子技术以及其他技术的发展，伺服技术更是发展迅速，它的应用几乎遍及社会生产各领
11、域。在控制系统中，若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性。实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多不足。随着计算机技术、现代控制理论的迅猛发展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。数字随动系统通常以微处理器为核心器件，通过数学模型计算实现比例、微分、积分控制算法，从而快速而有效地实现被控对象的精确定位
12、。与传统的模拟系统相比，数字随动系统控制是从计算机接收控制命令，它具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点。无论在工业上，还是在军事上，都不乏随动系统的例子。例如由计算机控制的火炮防空系统如图1-1所示，便是数字随动系统的典型实例。当目标进入雷达作用半径以内，一旦被自动跟踪雷达发现就被跟踪，同时自动雷达将测得的目标当时位置 (距离，方位角和高低角 )随时送入计算机。计算机则按人们事先规定的推算方法迅速计算出目标的航向、航速以及射击武器的发射角度；引导其去击中目标。这里，计算机算出的发射角度即是火炮随动系统的数字给定，而火炮防空系统应使火炮的实际发射角度与给定的发射角度相一致，才能
13、够准确地击中目标。这就要求跟踪既快且准，这就是数字随动系统应达到的性能指标。图1-1 火炮防空系统1.2 随动系统的发展过程随动系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism），1944年世界上第一个随动系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的发展，到 20世纪中期，数字随动系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的发展，数字随动系统应用几乎遍及社会的各个领域。它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现在已发展成为一门独立的学科控制论。在18世纪人们发明了两类机器：机器
14、发电机和机器发动机，来代替人手和体力，开始实现机械化；在上世纪40、50年代即第二次世界大战期间及以后，由于军事和生产上的需要，自动控制技术开始迅速发展，发明了第三类机器机器控制器，来代替人的部分简单的管理工作，形成了自动控制系统；到50年代末，自动控制理论已经形成比较完整的理论体系，由于电子计算机技术的飞速发展，在客观上提供了必要的技术手段。随动系统作为自动化系统的一种，其研究和应用已较为广泛。从早期的模拟直流系统，到80年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和国防领域。虽然新的控制结构和控制器不断出现，同时像自适应控制、最优控制、模糊控制、智能控制、神经网络控制等新算法也不断涌现。
15、从实现手段上看,用单片机、可编程逻辑器件手段实现的较多，用专门嵌入式控制计算机实现的还不多见。实时控制应用是计算机应用的一个重要而极富潜力的方面。随着计算机技术的发展，实时计算机系统在工业控制、航空航天、交通管理、作战指挥控制系统的应用正越来越广泛。嵌入式实时应用是目前国内外蓬勃发展的方向之一，正被越来越多的研究和应用。由于它与一般计算机系统的差异，其开发系统与通用软件开发有明显不同，需要高实时性能的操作系统和开发环境。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使数字随动系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。1.3 研究的意义数字随动控制系统应用领域非常广泛，主要是机械制造行业，运输行业，冶金工业，军事上。这就使得
