运动控制系统课程设计.docx
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运动控制系统课程设计
河南城建学院
《运动控制系统》课程设计
题目：
直流电机数字控制系统设计
系别：
电气与电子工程系
专业：
自动化
姓名：
学号：
指导教师：
完成时间：
河南城建学院
2013年1月6日
引言
随着计算机技术的发展，计算机控制越来越深入地渗透于生产之中。
因此，设计一个性能良好的计算机控制系统是非常重要的。
计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。
计算机控制系统的理论设计包括：
建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件的界面划分，并对硬件提出具体要求。
一个完整的设计还需要考虑系统的抗干扰性能。
现在，计算机控制的技术水平大大提高，计算机控制技术已经广泛应用于社会经济生活的各个层面，计算机控制系统的应用突飞猛进，大到非常庞杂的控制系统，小到各种微型控制设备，计算机控制技术在其中均起着越来越重要的作用。
用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务。
同时，由于通过软件编程可以实现各种复杂、灵活的控制算法，因而计算机控制技术广泛地应用于工农业生产、交通运输以及国防建设等各个领域，并取得了良好的控制效果。
电机是社会生产过程中的主要用电设备，对电机的调速和控制是控制系统最主要的研究对象。
电机的调速首先在直流电机上实现，随着交流变频调速技术的发展，在大功率用电上，交流调速，特别是高压变频调速技术近几年快速发展，得到了广泛的应用。
但是直流电机以其成熟的控制技术，优良的调速特性等在精细控制领域依然占据重要地位。
它调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。
针对不同的应用要求研究直流电机控制系统具有较强的理论意义和使用价值。
目录
一、摘要………………………………………………………………………………5
二、设计目的和要求…………………………………………………………………6
1、设计目的………………………………………………………………………62、设计要求………………………………………………………………………6
三、设计题目和内容…………………………………………………………………61、设计题目………………………………………………………………………6
2、设计内容………………………………………………………………………6
2.0原理图……………………………………………………………………6
2.1数字控制系统框图………………………………………………………7
2.2控制方式的选择………………………………………………………8
2.3实际控制模型的建立…………………………………………………9
2.4系统分析………………………………………………………………10
2.5系统仿真………………………………………………………………11
3、结论……………………………………………………………………………12
4、心得和体会……………………………………………………………………12
四、参考文献…………………………………………………………………………13
直流电机数字控制系统设计
【摘要】本设计通过比较分析PID控制和直接数字控制算法的特点，以最少拍无纹波直接数字控制方式，导出了纯惯性环节直流电机的直接数字控制系统的传递函数。
并对系统随动性能进行了理论分析和仿真。
【关键词】直流调速；直接数字控制；控制模型建立；PID控制
DCmotordigitalcontrolsystemdesign
【Abstract】Inthispaper,throughacomparativeanalysisofPIDcontrolanddirectdigitalcontrolalgorithm,Totheminimumwithoutrippledirectdigitalcontrolmethod,DerivedthepureinertiallinkDCmotordigitalcontrolsystemtransferfunction.Andthesystemdynamicperformancewiththetheoreticalanalysesandsimulation.Throughthisdesign,Igotintouchwithprocesscontrolapplicationinexperimentalsystem,letmeontheprocesscontrolmethod,,applicationareashavedeeperimpression.
【Keyword】DCspeedregulation；Directdigitalcontrol；Controlmodel；PIDcontrol
一、设计目的和要求
1、设计目的
通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。
2、设计要求
自拟控制系统性能指标的要求，采用数字控制方法设计控制系统，对系统设计方案进行论证，画出系统原理图，进行元器件的选择和相关参数的计算，系统动态结构图及其仿真分析。
二、设计题目和内容
1、直流电机数字控制系统设计
自拟控制系统性能指标的要求，采用数字控制方法设计控制系统，对系统设计方案进行论证，画出系统原理图，进行元器件的选择和相关参数的计算，系统动态结构图及其仿真分析。
2、设计内容
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图示，系统由以下部分组成
主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路
微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
2.1、数字控制系统框图
构成数字控制系统的主要环节如图1。
系统给定与系统r（t）和系统之差即为误差信号e（t），输入控制器。
由控制器输出控制量u（t）实现对控制对象的调节。
G（s）是被控对象的传递函数，H（s）是零阶保持器，D（z）是数字控制器。
r（t）+e（t）e（kT）u（kT）u（t）y（t）
-
T
图1典型数字数字控制系统框图
其控制过程可描述如下：
（1）在采样开关闭合（即采样）的kT时刻，对系统误差e（t）的瞬时值进行检测，也就是将整量化了的数字量e（kT）输入给计算机（数字控制器）。
这一过程称为实时采集。
（2）计算机对所采集的数据e（kT）进行处理，即依给定的控制规律（数字控制器）计算确定该kT时刻的数字控制量u（kT）。
（3）将kT时刻计算给出的数字控制量u（kT）经零阶保持器转换为kT时刻生效的模拟控制量u（t）输出到被控对象，实现实时控制。
2.2、控制方式选择
（1）PID控制
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。
本系统的控制对象是直流电机。
对直流电机的控制可以有多种方式。
最常见的即是PID调节方式。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制算法，其实质是根据输入的偏差值e（t）按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算的结果用于控制输出。
在实际的应用中，可以根据控制对象的特性和控制要求，灵活地改变PID结构。
如纯比例调节（P）、比例积分调节（PI）、比例积分微分调节（PID）等。
为了进一步改善控制效果，在PID算法的基础上做一些改进，产生了积分分离PID算法、不完全微分PID算法和变速积分PID算法等。
其控制规律为
（1）
PID算法的最大特点是控制系统的设计无需知道被控对象的数学控制模型。
这给一些被控对象特征不明确场的系统设计供了方便。
准确确定系统的比例、积分和微分参数是系统优劣的关键。
这需要设计者具有较为丰富的实践经验和现场的实际调试摸索。
（2）直接数字控制
在已知被控对象的数学模型的前提下，一般采用直接数字控制系统的算法。
该方法是通过已知对象的传递函数，根据离散系统理论，用直接设计法对计算机控制系统进行综合与设计，综合出数字控制器的传递函数。
显然根据有一般的意义。
利用计算机软件的灵活性，可以实现从简单到复杂的各种控制。
直接数字控制基于离散控制理论，被控对象要用离散模型来描述，或用离散化模型来表示连续对象。
在数字控制系统中，当误差存在时，总是希望系统能尽快消除误差，使输出跟随输入的变化，并尽量消除数字控制系统在采样点之间的纹波。
对于电机这类典型惯性环节的控制对象，一般采用最少拍无纹波计算机控制系统。
控制系统的设计要求是：
系统在典型信号的作用下，经过尽可能少的节拍（一般为1~3个采用周期达到稳定状态，且采样点之间没有纹波。
根据图1所示的控制系统，最少拍数字控制器的一般模型为
为：
（2）
式中：
为误差脉冲传递函数E（z）/R（z）；
为被控对象的脉冲传递函数。
2.3、实际控制模型的建立
本设计中的被控对象为直流电机，其控制模型为积分环节和典型的惯性环节串联，其传递函数为：
（3）
代入具体电机S221D的实际参数，得到该型电机的传递函数为
＝
（4）
考虑零阶保持器的广义对象的传递函数为：
（5）
取系统采样时间为0.1秒，经Z变化后得：
（6）
要使系统输出无纹波，且在最少拍达到稳定，其闭环传递函数
应包含
因子和G（z）的全部非0零点，所以设：
（7）
（8）
又，W（z）应由输入函数1（t）确定，且G（z）和
具有相同的阶次，所以
（9）
比较式（8）和（9），有：
，
。
可以求得：
。
代入求出
，并由式
（2）得到该系统的数学模型：
（10）
2.4、系统分析
用数字控制器的输出变量
可以判断所设计的控制器D（z）是否符合最少拍无纹波输出的要求。
（11）
由Z变换的定义可知，U（0）=6.9493
U（T）=-6.5323
U（2T）=-0
U（3T）=U（4T）=…=0
可见系统在经过2拍之后，进入稳定状态，其输出相应曲线可以无纹波地跟随输入信号。
即U（kT）=0,（K≥3）。
除去比例系数6.9493后的控制其和系统输出曲线分别如图2。
图2控制器输出信号曲线
2.5、系统仿真
通过求取整个系统的闭环传递函数，整理得到:
（12）
将该式的参数输入matlab进行仿真，程序为：
%Thisisascriptgenerathertheunitstepresponsey（KT）,
num=[00.50450.495];
den=[100];
dstep（num,den）
程序输出响应如图3可以看出系统在阶跃输入激励下，输出经3次采样后进入稳定状态，进入无误差跟踪的时间为0.3秒。
图3系统阶跃响应曲线
3、结论
本设计在具体电机模型的基础上直接求取电机控制的数学模型的方法的实例。
该模型为最少拍无纹波控制模型，通过计算机仿真，证明所得到的控制模型可以在2拍时间内进入无纹波稳定状态，系统对阶跃输入的闭环输出为过阻尼响应曲线，没有超调量，系统静差为0，有很好的跟踪效果。
但这对于对跟踪速度要求的系统可能不太实用，需要进一步修正。
通过本次设计，我接触了过程控制在实验系统中的应用，让我对过程控制的实现方法、应用领域都有了较深的印象。
计算机控制技术以自动控制理论和计算机技术为基础，自动控制理论的发展给计算机控制系统增添了理论工具，而计算机技术的发展为新型控制规律的实现、构造高性能的计算机控制系统提供了物质基础，两者的结合极大地推动了计算机控制技术的发展。
4、设计心得和体会
通过本次设计，加强了我对调速系统应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中调速系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。
同时使我掌握了设计系统的方法、步骤等，提高我们的综合运用所学知识，获取工程设计技能的能力；综合计算及编写报告的初步训练能力；理论联系实际和分析、解决问题的能力。
为今后的工作和学习打下了坚实的基础。
【参考文献】
[1]范立春,李雪飞.计算机控制技术[M].机械工业出版社,2009.
[2]于海生.计算机控制技术[M].机械工业出版社,2007.
[3]王鉴光.电动机控制系统[M].北京：
北京机械工业出版社，1994.
[4]王小明.电动机的单片机控制[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2002.
[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：
北京机械工业出版社，2003.
一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
课程设计成绩评定
班级姓名学号
成绩：
分（折合等级）
指导教师签字年月日
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