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標題: 計算機最少拍數字控制系統的設計報告 [打印本頁]

作者: 啊大王 時間: 2017-7-24 11:06
標題: 計算機最少拍數字控制系統的設計報告

以下是部分內容預覽：

桂林航天工業學院課程設計報告

系（部）：電子信息與自動化學院專業班級：自動化三班

學生姓名：黃學號：111111111111

設計題目：最小拍控制系統
完成日期2017年6月13日

指導教師評語：

成績（五級記分制）

指導教師（簽字）：

桂林航天工業學院課程設計任務書

設計題目：最小拍控制系統

學生姓名		黃明送
課程名稱		最小拍控制系統	專業班級	14 自動化三班
地點		巡天 408	起止時間	2017.06.12-2017.06.15
設計內容	最小拍控制系統設計
設計參數	最小控制系統設計選擇一個被控對象，整定參數后階躍響應小于 10%
設計進度
設計成果	1、設計說明書 2、設計計算書 3、仿真分析結果 4、系統原理圖
參考資料	[1] 夏揚.計算機控制技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004 [2] 張艷兵.王忠慶，鮮浩.計算機控制技術[M].北京：國防工業出版社，2006[4] 胡壽松.自動控制原理胡（第五版）北京：科學出版社，2007 [5] 樓順天.基于 MATLAB 的系統分析與設計（第 2 版），2005 [6] 張養安、劉林章，MATLAB 軟件在數據處理中的應用， 2005[7]涂源釗,最少拍控制器的設計方法；四川聯合大學學,1997 [8] 全瑞琴，海玲；淺析基于數字控制器實現的最小拍控制系統；科技傳播；2010[9]席愛民,計算機控制系統（第一版）,北京：高等教育出版社，2004 [10] 周凱,最少拍數字化全閉環位置控制系統.組合機床與自動化加工技術,1998
說明	1．本表應在每次實施前由指導教師填寫一式 2 份，審批后所在系（部）和指導教師各留 1 份。2．多名學生共用一題的，在設計內容、參數、要求等方面應有所區別。3．若填寫內容較多可另紙附后。

系（部）分管領導：教研室主任：指導教師：

年月日

第一章緒論 ..........................................................................................................................................................................1

1.1 引言................................................................................................................................................................................. 1

1.2 設計任務........................................................................................................................................................................ 2

1.3 設計技術參數............................................................................................................................................................... 2

第二章課程設計說明書.......................................................................................................................................................3

2.1 綜述................................................................................................................................................................................. 3

2.2 被控對象穩定且不包含純滯后環節的最少拍控制器設計.............................................................................. 3

第三章設計計算書................................................................................................................................................................7

3.1 廣義脈沖傳遞函數的求取........................................................................................................................................ 7

3.2 最小拍控制器的設計.................................................................................................................................................. 7

3.2.1 單位階躍信號...................................................................................................................................................... 7

3.2.2 單位速度信號...................................................................................................................................................... 8
第四章設計仿真模型及分析..............................................................................................................................................9
參考文獻..................................................................................................................................................................................10

第一章緒論

1.1 引言

近年來，隨著工業控制技術和航空航天技術的高速發展，人們對控制器的要求也越來越高。一般控制器具有以下幾個要求：

1、精確性。指的是對特定輸入下的系統，在到達穩態后，系統輸出的采樣值能準確跟蹤輸入信號，也就是說采樣點上的輸出不存在穩態誤差。

2、快速性。系統能在有限的拍數下達到穩態的沒計狀態，也就是系統準確的跟蹤輸入量所需的采樣周期數應為最少。

3、穩定性。控制器必須在物理上可實現且應該是穩定的閉環系統。

離散的數字控制器以其高效的性能滿足了人們對系統控制的各項要求，其中最少拍控制是以實現系統快速性為目標的一種離散化設計方法。

最少拍數字控制器的設計步驟：常常包含最少拍有紋波數字控制器設計與最少拍無紋波數字控制器設計兩種。在采樣點上的輸出不存在穩態誤差，但是在采樣點與采樣點之間的輸出存在穩態誤差的系統為有波紋最少拍控制系統。若在采樣點上和采樣點之間的輸出均沒有穩態誤差，則這系統為無波紋最少拍控制系統。這兩種系統均有各有自的優點，但是也都存在一些不足。相對于最少拍無紋波數字控制系統來說最少拍有紋波數字控制系統能使系統輸出達到穩態是的拍數最少，但是，不能保證任意兩個采樣點之間的穩態誤差為零；最少拍無紋波數字控制系統在采樣點上和采樣點間的輸出均不存在穩態誤差，但是其缺點是響應速度相對較慢。

不管是最少拍有紋波還是最少拍無紋波控制系統，其控制方程都是由被控對象的數學方程 G(Z)來計算的。其中改進方法包括換接程序法，阻尼因子法與非最少的有限拍控制等方法。

最小拍控制是一種直接數字設計方法。所謂最小拍控制就是要求閉環系統對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內達到無靜差的穩態使系統輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。因此最小拍控制實際上是時間最優控制。

直接設計法是指先對被控對象 G(s)離散化，得到對應的 G(z)，再直接按照動態指標要求，進行離散時間動態設計，直接得到對應的調節器傳遞函數 D(z)。針對某一特定的

輸入 R(z)，求得一個調節器 D(z)，使得誤差 E(z)為有限 N 項，稱為有限拍設計法；如

果 N 取得可能的最小值，則稱為最小拍設計法。

設計最小拍系統，為了滿足誤差 E(z)僅有有限 N 項非零，調節器 D(z)至少應滿足以下約束條件：

1）設計的閉環系統是穩定的；

2）調節器 D(z)本身是穩定的；

3）調節器 D(z)本身是可以實現的；

第二章課程設計說明書

2.1 綜述

在采樣系統中，時間經過一個采樣周期稱為一拍。最少拍系統設計，是指系統在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)作用下，經過最少拍(有限拍)，使系統輸出的穩態誤差為零。所以，最少拍控制系統的性能指標包括系統穩定、在典型輸入下穩態誤差為零、系統的調節時間最短或盡可能短，即最少拍系統對閉環脈沖傳遞函數的要求是穩定、準確和快速。本課程設計針對穩定、不含純滯后環節的被控對象，來推導數字控制器 D(z)具有的形式。

2.2 被控對象穩定且不包含純滯后環節的最少拍控制器設計

控制系統結構如圖 1 所示，其中 H0(s)為零階保持器，GP(s)為被控對象，D(z)即為待設計的最少拍控制器。

第四章設計仿真模型及分析

單位階躍信號的 simulink 仿真模型

單位速度信號的 simulink 仿真模型

單位速度信號如圖所示

仿真模型結果分析：

當輸入信號為單位階躍信號時，按照最小拍控制策略設計的數字控制器，實現輸入經過一拍后，在采樣時刻系統穩態誤差為零，輸出跟蹤輸入但在采樣點間，系統輸出有紋波存在。

當輸入信號為單位速度信號時，按照最小拍控制策略設計的數字控制器，實現輸入

經過兩拍后，在采樣時刻系統穩態誤差為零，輸出跟蹤輸入，但在采樣點間，系統輸出有紋波存在。

最小拍控制系統的設計方法是簡便的，結構也是簡單的，設計結果可以得到解析解，便于計算機實現。但是最小拍設計存在如下一些問題：

(1) 最小拍控制系統對輸入形式的適應性差，當系統的輸入形式改變，尤其是存在隨機擾動時，系統的性能變壞。

(2) 最小拍控制系統對參數的變化很敏感，在實驗過程中，隨著外部條件的變化，對象參數的變化是不可避免的，以及計算機在計算過程中產生的誤差，從而使得實際輸出可能偏離期望值。這也就是在做最小拍設計實驗時常常得不到預期效果的原因。

參考文獻

[1] 張艷兵.王忠慶，鮮浩.計算機控制技術[M].北京：國防工業出版社，2006 [2] 胡壽松.自動控制原理胡（第五版）北京：科學出版社，2007

[3] 樓順天.基于 MATLAB 的系統分析與設計（第 2 版），2005 [4] 張養安、劉林章，MATLAB 軟件在數據處理中的應用， 2005 [5]涂源釗,最少拍控制器的設計方法；四川聯合大學學,1997

[6] 全瑞琴，海玲；淺析基于數字控制器實現的最小拍控制系統；科技傳播；2010 [7]席愛民,計算機控制系統（第一版）,北京：高等教育出版社，2004

[8] 周凱,最少拍數字化全閉環位置控制系統.組合機床與自動化加工技術,1998

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