计算机控制系统课设基于模拟对象的数字控制系统的设计Word文档格式.docx

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2.2被控对象分析3

第三章控制策略设计及仿真研究4

3.1控制策略设计4

3.2仿真研究8

第四章控制策略实现10

4.1组态环境下控制策略编程实现10

4.2运行结果分析14

第五章总结15

参考文献16

第一章概述

1.1题目背景及应用意义

我们组设计的题目是基于模拟对象数字控制系统的设计与实践。

数字控制器应用非常灵活，且能使系统变得稳定，并且易于集成优化，能够实现先进的控制技术，因此，选择数字控制器来调节模拟对象被越来越多的应用在工业生产中，并在现代工业生产中发挥着重要的作用。

根据模拟对象数字控制系统的组成、工作原理，通过对模拟对象建立数学模型。

根据所给的被控对象的动态性能指标分析控制算法，设计所需要的控制器，来实现性能指标的要求。

基于模拟对象数字控制系统的实验主要由计算机、多功能数据采集卡和模拟对象电路板组成。

在实物应用之前先通过计算机模拟的仿真，再在仿真过程中发现不足之处并予以改进，把设计方案完善，使仿真设计达到要求即可，然后我们就可以进行实物上的实验。

1.2本文内容及工作安排

我们组设计的主要内容大体分为几个部分：

被控对象的数学建模、控制器的设计、计算机的模拟仿真、控制算法设计、实物运行。

第1章主要是关于模拟对象数字控制系统的背景和应用意义，还有就是阐述本文的具体内容和工作安排情况。

第2章主要是了解系统的组成和被控对象的分析，较为基础，为后面的数学建模奠定基础，这也是本设计的最为重要的一部分。

第3章主要是控制策略的设计及仿真研究，进行截图和性能分析。

第4章主要说明控制策略是如何在实物上实现的。

第5章主要是总结一下在实验过程中的心得体会。

诸如所学到的东西，所遇到过的问题并如何处理还有一些参考文献中的知识。

第二章系统组成及被控对象分析

2.1系统组成

本设计的实验装置主要由计算机、多功能数据采集卡和模拟对象电路板组成。

1.计算机用来完成控制策略的仿真研究和实现、输入输出数据显示和曲线绘制、过程动态组态等。

2.多功能数据采集卡主要从模拟对象电路板实时采集数据送入计算机，并把经过计算机内部控制策略计算所得的控制量转换后送给模拟对象电路板。

3.模拟对象电路板采用运算放大器和阻容元件组成的实验对象，可以组成两路单输入单输出模拟系统或完全解耦的双输入双输出模拟系统。

需提供12V电源。

其中模拟对象电路板的原理图如图2-1：

图2-1电路板原理图

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、控制对象等几个部分。

输入信号：

通过控制开关，给系统输入阶跃信号。

反馈信号：

通过反馈信号调节系统的稳定性。

比较限幅环节：

将输入信号和反馈信号比较作为输入，通过电位器限制输出电压，对电路板起保护作用。

电平转换环节：

将模拟信号转换为电平信号，其输出作为被控对象的输入。

被控对象：

要控制的目标。

2.2被控对象分析

被控对象原理图如图2-2：

图2-2被控对象原理图

由原理图可知被控对象由积分、惯性两个环节组成，其传函如下：

积分：

，,

惯性：

，

第三章控制策略设计及仿真研究

3.1控制策略设计

被控对象传递函数为：

闭环传递函数为：

化为标准型：

可以得到对应的，

超调

相角裕度

穿越频率

调节时间

采用串联超前校正，校正参数

则

校正环节传递函数为：

校正后传递函数为：

3.2仿真研究

校正以前阶跃响应曲线以及波特图如下：

图3-1校正前阶跃响应曲线

图3-2校正前波特图

校正以后阶跃响应曲线以及波特图如下：

图3-3校正后阶跃响应曲线

图3-4校正后波特图

由图可知校正前后的相角裕度有很大提高。

在simulink工具盒中进行仿真：

图3-5simulink截图

图3-6响应曲线

图中绿色的是不加校正环节得到的响应曲线，蓝色的是加校正环节得到的响应曲线，由图可以看出，系统的性能有了很大的提高。

校正前后性能指标对比如下：

性能指标

超调量

上升时间

校正前

56.5%

2.1s

14.4s

27.3

校正后

10%

1.1s

1.9s

64

表3-1性能对比

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。

图4-1新建工程

2.进入开发系统，点窗口，设置窗口属性。

图4-2设置窗口属性

3.设置I/O设备驱动。

选择板卡—中泰—PCI_8333,设备配置。

图4-3设备设置

4.进入数据库组态，设置通道。

图4-4设置输入通道

图4-5设置输出通道

5.进入控制策略编辑器，建立控制策略。

图4-6建立控制策略

6.建立历史趋势表格，设置历史趋势组态。

图4-7建立历史表格

图4-8设置历史趋势组态

7.在开发系统页面，点文件—全部保存，进入运行。

同时让控制策略进入运行组态。

观察运行结果。

4.2运行结果分析

图4-9结果曲线

图中浅红色部分是输入，深红色是输出。

按下开关给阶跃信号曲线向上变化，松开开关曲线向下变化，曲线回到按下开关之前，输出跟随输入，结果比较理想。

测得各环节输入输出电压，其中输入信号环节输出为2.4V，反馈环节输入-11.06V，输出10.33V，比较限幅环节输入8V左右，输出为-1.49。

电平转换环节输入-1.49V，输出3.14V，被控对象输入-5.03V，输出-11.06V。

第五章总结

这两周的课设使我对计算机控制这门课有了更进一步的了解，尤其对模拟对象数字控制系统有了更深层次的认识。

在完成题目的过程中，我学会了MATLAB软件和力控软件的基本使用方法。

在这个实验中我主要负责控制策略的实现。

首先是对力控软件进行设置主要包括IO端口和PCI8333板卡的连接、数据库DB的设置、控制策略的设计以及实时趋势组态的设置，其次是将被控对象接入控制系统中并进行运行观察，最后由运行曲线观察系统运行过程中的数据变化，使得到的曲线规律满足系统设计的要求。

当然在实验过程中我们也遇到了些麻烦。

例如电路板的D/A端没有输出，即用万用表测得为0,而输入输出的数据曲线却很正常，没有出现问题，经过我们一系列的排查，原来是由于电脑出现的不明问题，后来换了一台电脑，输出端显示了正常的数字。

还有就是被控对象被接入后只观察到了输入信号的曲线，却没有输出信号曲线。

然后我们用万用表测量发现数据输出端没有信号，经过不断的试验还是出现这种现象，我们就认为可能是数据采集卡出现了问题，后来换了台机器，这种现象就不存在啦。

这些天的实验，使我明白了很多。

单纯的理论必须通过不断的实践的结合，才能使我们更清楚的学习到一些知识。

尽管出现过很多不明的故障原因，但是我们还是需要去不断的思考、实践，找出病因，尽量的实现结果。

我们还需在试验过程中保持很好的耐心与细心，这样就不会因为一些自身不应出现的失误而浪费大量时间。

最后感谢两位老师辛勤的指导，祝老师们2013年快乐。

参考文献

[1]李华范多旺等．计算机控制系统．北京．机械工业出版社，2007

[2]胡寿松．自动控制原理[M]．第五版．北京：

科学出版社，2007

[3]童诗白华成英．模拟电子技术基础．第四版．北京：

高等教育出版社，2006