（控制理论与控制工程专业论文）计算机控制位置伺服系统的设计与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文研究的是一种计算机控制的位置伺服系统，开发旨在为理论研究和教学提供 理想的实验工具。介绍了从系统硬件设计、软件设计、数学模型求取到控制律分析与 设计的完整过程。 硬件设计包括位置检测，数据采集和数据转换与输出，并分析了系统硬件的工作 原理。 软件设计包括本系统在w i n d o w s 系统下实现实时控制的方法、虚拟驱动实现、 m a t l a b 联接运行方案、控制器设计扩展接口和用户高级图形数据操作功能实现， 文中详述了采用的多任务调度方案、硬件驱动机制、软件接口机制以及高精度定时和 多线程机制在系统设计中的应用。 被控对象模型参数的求取采用实验法和辨识相结合，通过系统辨识得到具体参数 值。通过对比相同输入作用下的仿真输出和系统实际输出，验证了模型的可靠性。 文中较详细研究了模糊控制的机理和算法，并提供五种既有控制方案供选择：p i d 控制、串联校正、模糊控制、模糊p i d 切换控制和模糊p i d 参数自整定方案，对各 种控制律进行了设计，针对系统实际运行结果进行了方案分析和比较。此外，本系统 提供了程序接口供用户进行自定义控制方案扩展。 关键词：数据采集、虚拟驱动、m a t l a b 接口、多线程、实时控制、系统辨识、模 糊控制、计算机控制 计算机控制位置伺服系统的设计和实现 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，ap o s i t i o ns e r v os y s t e m sb a s e do nc o m p u t e rc o n t r o li ss t u d i e d t h e p u r p o s eo fd e v e l o p i n gi st os u p p l ye x p e r i m e n tt o o lf o rt h e o r yr e s e a r c h i n ga n dt e a c h i n g t h ew h o l ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e di n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la c q u i s i t i o na n d d e s i g n i n go f c o n t r o la l g o r i t h m h a r d w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d e sm e a s u r i n go f p o s i t i o ns i g n a l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a c o n v e n i n g a n d o u t p u t i n g t h e o r yo f h a r d w a r e i ns y s t e mi sa n a l y s i s e d t h ed e s i g no fs o f t w a r ei n c l u d e sr e a l i z a t i o no fr e a lt i m ec o n t r o l l i n gu n d e rw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e m ，v i r t u a l d e v i c e d f i v e bs c h e m eo fr u n n i n gl i n k i n g t om a t l a b e x p a n d i n gi n t e r f a c ef o rd e s i g n i n go fc o n t r o l l e ra n dr e a l i z a t i o no fh i 曲一l e v e lo p e r a t i o n f u n c t i o ni ng r a p h i c d a t af o ru s e ra r ea l s oi n c l u d e d t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i t a s ks c h e d u l e r , h a r d w a r ed i v e r m e c h a n i s m ，s o f t w a r ei n t e r f a c e m e c h a n i s m ，h i g h p r e c i s i o nt i m e r a n d m u l t i t h r c a da r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep l a n ti s a c q u i r e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n ds y s t e m i d e n t i f i c a t i o n p a r a m e t e r so ft h em o d e la r e g o t t e nb ys y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t h r o u g h c o m p a r i n g t h eo u t p u to f r e a ls y s t e mw i t h m o d e l ，t h ev a l i d i t yo f t h em o d e li sa p p r o v e d t h em e c h a n i s ma n da r i t h m e t i co f f u z z yc o n t r o la r es t u d i e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r f i v ec o n t r o ls c h e m e sa r es u p p l i e di nt h i ss y s t e m ：p i dc o n t r o l ，r e v i s i o nc o n t r o ls y s t e mi n s e r i e s ，f u z z yc o n t r o l ，f u z z y - p i ds w i t c hc o n t r o la n df u z z y p i dp a r a m e t e ra u t o t u n i n g c o n t r o l l e r t h ed e s i g n ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i n go ft h e s es c h e m e sb a s e do nr e a lr e s u l ta r e p r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h es c h e m e e x p e n d i n g b a s e do nt h e p r o g r a m i n t e r f a c et o u s e r - d e f i n e dc o n t r o l i sa v a i l a b l ei nt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，v i r t u a ld e v i c ed r i v e r , m a t l a b ，m u l t i t h r e a d ，r e a lt i m e c o n t r o l ，s ”t e mi d e n t i f i c a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，c o m p u t e rc o n t r o l 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 本文研究和开发的是一个基于计算机控制的实时控制实验平台，其目地在于给理 论研究提供理想的实验和研究工具。 随着电子计算机技术的飞速发展和计算机控制技术的进步，计算机已经越来越多 的应用于控制领域，但目前针对于实时控制的系统大都应用于其专用的操作系统，这 是因为w i n d o w s 系统有其固有的缺陷，一般不能满足高实时性的控制工作，这就 给实时控制的研究和工程应用带来了很大的困难和不便。因此，如何为理论研究提供 一个方便而成熟的研究和实验工具已经体现出其巨大的意义和价值，本课题在此方向 做了大量的工作，取得了一定的成绩。 本章首先介绍计算控制系统的概念，组成结构，接下来介绍实时控制的理论和其 在计算机控制中的重要性和在本系统中的实现方法。在此之后，简单结合本课题中对 以上知识的应用和研究中的重点和难点问题进行讨论，并概括阐述了针对这些问题所 采取的措施和解决方案。 1 2 计算机实时控制概述 1 2 1 计算机实时控制与本系统 下图表示一个典型的计算机闭环实时控制系统方块图。 图1 - 1 计算机实时控制系统方块图 l - 汁算机控制侥置问服系统的设计利实现 从上图可以看出，计算机控制系统和传统的控制系统相比，它们之间的差别仅 在于计算机控制系统中引入了数字计算机和数模转换和模数转换器，替换了原来连 续控制系统中的某些电子网络、串联较正装置、电子开关等控制设备，这种替代对系 统的性能、成本、运用范围等都有极大的改善。 由上述可见，计算机控制系统主要由以下部件组成： 1 被控对象，在本文研究的伺服系统中是上下两个转盘。 2 调节装置，在本文研究的伺服系统中是直流电机。 3 测量装置。在本文研究的伺服系统中是上下两个测位置的绝对式光电码盘。 4 模数转换器( a d ) 和模一数转换器( d a ) ，在本文研究的伺服系统中是由两块 i s a 接口的数据采集和转换卡加上伺服驱动箱内部的部分电路完成。 5 数字计算机系统( 包括硬件和软件) ：在本文研究的伺服系统中是指的控制用 的主机，本系统要求使用主频4 0 0 m h z 以上c p u 和主板上至少有两根i s a 接口插槽的计算机。它在控制系统中主要起控制器的作用，对信号进行加工， 形成所要求的控制信号，其次它还要承担数据处理、监督、管理等任务。在 本课题研究的伺服系统中，它主要承担了对原始数据的采集和对采集来的原 始信号进行滤波，计算给定值，计算偏差量，对误差信号采调用相应的控制 算法子程序，对其进行处理以得到输出信号，当然主机对人机对话和数据的 其它操作如保存、分析和打印等功能也是由运行在其上的应用程序完成的。 6 前馈控制，和反馈控制一样，输入量和反馈量都是连续信号，经采样保持电 路和数一模转换后成为数字量，计算机根据控制需要的某一种控制算法，经过 运行处理后，得到所需要的控制量，现经数数转换和放大后成为模拟信号， 送入执行机构直流电机，驱动电机，构成闭环控制。 图1 - 2 数据采集与变换部件结构图 1 2 2 计算机实时控制与本系统相关的几个特殊问题 一、实时性 南京航空航天人学硕十学位论文 计算机实时控制系统对控制对象物理量的采集，做出实时控制决策，并进行实时 控制等过程，周而复始地重复进行，而且这些过程要尽可能及时的进行。也就是说， 计算机的运算和操作速度必须与它的控制对象实际运行过程相适应。为了达到这一要 求，需要从硬件和软件两方面来保证。硬件方面要求配备较高性能的计算机，软件方 面要配备实时操作系统，这两方面是一般计算机控制通常采用的高实时性解决方案， 但在本课题的研究过程中，采用流行的w i n d o w s 系统做为运行平台，这主要是为 了系统的易用性考虑，在开发过程中，利用w i n d o w s 多线程技术，开发了三优先 级多任务调度模式，在定程度上提高了实时性，满足了控制的实时性要求，详见后 面的本文的详细论述。 二、数据采集和变换 数据采集和变换是计算机实时控制系统的重要组成部分，它是计算机与控制对象 交换信息的通道。图1 2 表示数据采集和变换部件方块图。 现将数据采集和变换部件的主要部分简述如下。 1 多通道选择器 多通道选择器实际上是一个多点开关，可以用软件对通道进行选择。例如，可以 选用任意一个通道或对各通道顺序扫描等方式，依次选用等。 2 采样保持电路 3 模拟数字( d ) 转换 a d 变换器是把模拟信号变换为数字信号。它的一般形式：逐次逼近式、积分式， 计数式和并行式等。在本系统中由于测量装置是直接数字式光电码盘，取到的是数字 信号，不需要对其进行变换，但要进行处理。 4 数字模拟( d a ) 转换 d a 转换是把数字信号转换为模拟信号。本系统中采用p l c 7 3 1 卡完成转换。 三、采样周期 采样周期是采样频率的倒数，采样频率太低，会使零阶保持器的输入信号与输出 信号之间误差太大，将不能真实反映被控对象的运行状态，若低于系统内的最小时间 常数还会导致控制失败，所以采样频率应该满足香农采样定理的要求。采样定理给出 了从采样的离散信号恢复到原来连续信号所必须的最低频率。 四、中断处理 当计算机用于实时控制时，中断是一个十分重要的功能。因为当计算机与外围设 备或控制对象交换信息时，若用查询方式，则c p u 就要浪费很多时间去等待外部设 备是否准备就绪，有了中断功能，就可以使c p u 与外部设备同时工作。c p u 在启动 外部设备工作后，就继续执行主程序，同时外部设备也在工作，当外部设备把数据处 - 3 - ! 塞垫丝型焦兰型里墨丝塑生生型窒翌一 理好后，发出中断请求，c p u 中断它自己的程序，去响应中断处理，处理完以后， c p u 再恢复执行主程序，外部设备也继续工作。 如上所述，在实时控制中采用中断的优点是可以节约系统资源，节省c p u 查询 占用时间。但在本系统中，由于其特殊的w i n d o w s 系统无法满足高实时性工作的 原因，为了尽可能的节约时间资源，没有采用中断处理方式，而是结合课题本身的特 点设计了三优先级分级处理方式，实践证明，此种方式更加节约了c p u 占用时间， 加快了系统的采样频率，取得了尽可能快的运行速度，满足了系统要求，详情将会后 面分章叙述。 五、控制算法 计算机控制的核心内容是根据系统的性能指标要求以及控制对象的数学模型、应 用某种控制策略，特别是运用现代控制理论，设计出各种控制算法，最后将控制算法 编写成计算机程序并通过输入输出接口，对控制对象进行控制。由此可见，控制算 法在计算机控制中有着很重要的作用。本系统中对于此部分亦有其特殊性，因为本系 统是一个研究工具，不是针对某一种控制方案所做的工程性应用，所以要尽可能多的 提供控制方案，鉴于此，系统采用除自己编写出控制算法以外，还实现了主程序和 m a t l a b 的连接运行，从而可以方便的运用m a t l a b 提供的大量的工具箱函数来实 现控制，大大增加了可供选择的控制方案。 1 3 本课题概述 1 3 1 课题的开发目地和意义 计算机控制实质上就是计算机技术和自动控制理论相结合，对生产机械和生产过 程进行控制的一门技术。现代化的生产系统具有多变量、时变、非线性的特点，就用 经典控制理论已不能满足现代化的工业生产要求。应用现代控制理论再加上计算机的 快速运算、强大的信息处理能力以及逻辑判断能力，使得计算机控制系统能解决通常 自动控制技术所不能解决的问题，使生产过程达到优异的性能指标。 近年来，结合计算机的控制技术正在快速的发展，基于前沿控制理论的研究工作 也正在进行，也出现了很多相应的研究手段和研究设备，计算机在其中的应用给理论 研究工作带来了很大方便，但是这些设备大都有是针对专有的控制设备应用的，需要 专门的硬件和软件以及实时操作系统，有着价格高、专用性较强、应用需要有专门的 计算机知识背景等缺点，因此，如何为理论研究提供一个代价低，好用易用的实验和 研究教学工具就体现出其重大意义，本文设计和开发的就是这样的一个实验平台，可 以为理论研究和教学工作提供必要的帮助。 伺服系统是输出量以一定精度跟踪输入量变化的自动控制系统。作为闭环自动 南京航空航六人学砸七学位论文 控制系统的随动系统，它在生产过程和运动对象的控制及定位、瞄准、跟踪、信号 传递和接收等装置中都占有显著的地位，现已成为各种调节系统的重要组成部分。 因为伺服系统在工业生产中的应用面很广，所以本系统采用位置伺服这样一个普遍 应用的控制工程作为研究主题，具有一定的代表性。 1 3 2 课题的主要工作和要求 通过对本课题的研究和开发，将完成以下工作： 1 数学模型的建立 由于系统硬件部分完全是自主开发的，部分构件不是专用于本系统，无法提供控 制相关技术资料和详细文档，所以对被控对象的建模就有了很大困难，但要对被 控对象做良好的控制，必须首先建立对象尽可能准确的数学模型。 2 系统硬件部分 主要工作内容包括数据采集板和相应数据采集电路部分以及伺服放大电路部分， 完成底层接口的通讯，对采集卡进行硬软件调试，完成采集卡的中断调用程序。 对光电码盘位置采样电路的研究和数据转换，对转台整体( 包括光电码盘和伺服 电机) 的测试和调整。 3 系统的应用软件开发 首先，要完成应用程序的硬件驱动部分，在w i n n t 系统下完成底层驱动的设计， 此步骤是下一步工作的先决条件，是系统输入输出和信号检测的根本。 其次，完成主程序的设计，此部分是工作的重点，主要完成四个方面的内容：1 ， 完成应用程序的人机界面；2 ，深入探讨w i n d o w s 系统的工作机理，完成高精 度的系统定时以保障采样频率；3 ，完成程序对数据实时曲线的绘制和读取部分， 并完成码盘状态在主程序中的实时动画监视；4 ，完成主程序的文件处理功能。 第三，完成主程序的控制算法部分，实现对被控对象的控制。 第四，研究系统的应用程序运行机理，完成主程序对m a t l a b 的数据通讯，利 用w i n d o w s 的消息机制和h o o k 功能，完成主程序和m a t l a b 的接口，实 现和m a t l a b 配合运行。 4 控制效果测试 在初步开发成功运行的实验平台上进行各种控制方案的试验，验证和改进系统， 以达到要求的性能指标，开发新的控制方案。 5 软件发布和文档完善 制作软件部分完整文档，完成系统整体详细说明书，完成软件部分的独立发行版 本，将系统软硬件结合进行整体测试和完善。 生堡! ! 笙型垡兰! j 堡墨丝塑坠生盟塞! 墨一一一 第二章系统总体构成 本系统由硬件和软件两大部分组成，其中伺服放大器和转台是硬件的重要组成部 分，控制计算机是控制核心，数据采集主要集中在计算机的i s a 的接口上的两块采集 卡上，控制行为由运行在控制计算机上的控制程序完成，各部分相互配合，实现对被 控对象两个上下转盘的控制。 本章将详细叙述系统的硬件构成。首先介绍系统总体构成，然后介绍信号检测、 数据采集及数据输出三个方面。 2 1 实验平台的硬件总体架构 本系统的硬件总体结构如图2 - 1 所示 控制计算机 旦害p c 豢 厘塾r c ：一黼集卡” 图2 1 位置伺服系统总体架构图 从第一章中的叙述可知，一个完整的计算机控制系统应该包括被控对象、执行机 构、测量装置、模数( a d ) 转换器和数模( d a ) 转换器和数字计算机系统( 包括硬 件和软件) ，在本系统各部分的组成如下： 被控对象与执行机构 如图2 2 所不： 转台由上转盘b 和下转盘a 以及连接两个转盘的柔性轴连接在一起，伺服电机 在转台下方，和下转盘a 为同轴连接，当其接受输出控制量控制电压时，产生转矩， 带动下转盘转动，柔性轴可以连接也可以断开，当其连接时，则下转盘轴同时也带动 柔性轴转动，柔性轴在产生弹性形变的同时带动上转盘转动，柔性轴的加入增加了被 控对象的复杂度，被控对象根据其结构不同可分别抽象为二阶和四阶模型。 系统被控对象根据转盘连接情况不同分为以下两种： 塑壅堕尘堕盔尘兰堡i ：! ! ：丝笙兰一一 图2 2 转台组成结构不慈图 a 断开柔性轴，此时被控对象仅为下转盘a ，数据由光电码盘a 返回并经a d 转换和识别后返回实时控制程序，实现闭环控制。 被控对象为二阶模型，传递函数为： 而k 而 ( 2 1 1 ) s ( 乃+ 1 ) 、 b 连接柔性轴，被控对象为上下转盘，数据由码盘b 返回，经a i d 转换和识别 后返回实时控制程序，实现闭环控制。此时被控对象可抽象为四阶数学模型，传递函 数为： s ( t s + 1 ) s 2 + 2 国。争+ c o ： ( 2 1 1 ) 系统的执行机构为稀土永磁直流力矩电机，仅通过改变加在电枢两端的电压来控 制电机的运行。 测量装置 本系统的测量装置是上下两个光电编码盘，分别与上下转盘同轴转动，主要作用 是用于检测码盘当前的位置，系统采用的编码盘是增量式编码器。 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 、b 和z 相；a 、b 两组脉冲相位差9 0 0 ，从而可方便地判断出旋转方向，而z 相为每转一个脉冲，用于 基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能 力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 本系统采用的编码盘的最高精度为1 8 0 0 0 次脉冲转，属于高精度测量装置。 模数( 刖d ) 转换器和数模( d a ) 转换器 a i d 和d a 转换器是计算机控制系统的重要部件之一，担任着将被控对象模拟 量信息转换为计算机可识别的数字量和将控制输出量数字量转换为模拟量去驱动执 行机构的重要作用。 本系统中由于位置测量采用了光电编码盘，光电编码盘的输出为脉冲信号，只需 计掉机控制位置伺服系统的设计和实现 对输出脉冲进行计数即可得到相关的数字量信号，无须a d 转换，系统采用了p c l 一7 3 1 a 数字i o 卡作为数字信息与计算机之间的数据传递接口。 d a 转换采用了p c l 7 1 1 b 数据采集卡，可将计算机输出的转换为模拟信号。 两块卡都是i s a 插槽，控制程序通过虚拟驱动程序读写i s a 卡的端口地址来实现 数据传送。 数字计算机系统 本系统采用普通的兼容p c 做为控制计算机，由于用于控制转台和考虑到控制要 求的实时性，因此对计算机做如下要求： 采用控制计算机必须有至少两根i s a 插槽，用于配置数据采集卡，要求c p u 主 频至少应该在4 0 0 m h z 以上主频，1 2 8 m 以上内存，推荐使用1 g h z 以上c p u 和2 5 6 m 以上内存，因为实验表明，计算机的处理速度对控制程序的实时性影响很大。 系统工作的主要流程： 系统的组成框图如下： 圈2 3 位置伺服系统实验平台框图 系统输入信号由计算机控制程序产生，可由用户选择和设定参数，被控对象上下转 盘的位置数据由数据采集卡p l c 7 3 1 采集返回计算机，控制程序通过读端口操作取得 数据，送入相应控制予程序。控制程序根据当前控制方案产生输出控制量，输出控制 量由p l c 7 1 1 的d a 转换模块转换、伺服放大器放大后送到执行电机驱动转盘转动， 从而实现对被控对象的闭环控制。 2 2 转盘的位置信号检测 2 2 1 光电编码盘的检测原理 光电编码器，是种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数 字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器的工作原理如图所示，在圆 南京航空航大人学颁七学位论文 盈上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安装发光元件和光敏元件。当 圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整 形后变为脉冲，码盘上有定相标志，每转一圈输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向， 码盘还可提供相位相差9 0 。的两路脉冲信号，如图所示。 i1j 陬 n 几nnnn 门几厂 b 几门门几门nnn 广 z。【一 图2 4 光电编码盘原理 顺时针旋转时，通道a 输出波形超前通道b 波形9 0 。；逆时针旋转时，通道a 输出波形迟通道b 波形9 0 。：光电编码器每旋转一圈，输出一个基准脉冲z ，基准脉 冲的波形中心对准通道a 输出的波形中心，用于基准点定位，如下图。 a b z 顺时针旋转 a b z 图2 5 光电编码器的正反转信号 逆时针旋转 光电编码盘的检测精度是一个重要的性能指标，它表明了光电编码每旋转一周可 以输出多少个脉冲，显然，输出脉冲数越多，说明码盘的精度越高，本系统采用的光 电编码盘最多可输出1 8 0 0 0 个脉冲，属于高精度检测装置，完全可以满足控制精度的 需要。 2 2 2 光电编码盘的计数与鉴向 本系统采用的码盘是增量式码盘，在同等精度下，较绝对式编码盘有结构简单、 价格便宜，配合的硬件电路简单等特点，缺点是无法检测码盘的绝对位置。 增量式编码盘需要累加计数来完成角度检测，通常采用的计数电路大同小异，都 是对编码器产生的脉冲进行计数来得到角度值，考虑到转盘转动是双向的，既可顺时 计算机控制成置伺服系统的波计和实现 针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。一个典型的编 码器计数与鉴向电路如下图，鉴相电路用1 个d 触发器和2 个与非门组成，计数电 路用n 片7 4 l s l 9 3 组成，n 由所需的计数范围确定： 图2 6 编码器典型的计数与鉴向电路 c l r l d 当光电编码器顺时针旋转时，通道a 输出波形超前通道b 输出波形9 0 。，d 触发 器输出q ( 波形w 1 ) 为高电平，q 一( 波形w 2 ) 为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通 过( 波形w 3 ) ，送至双向计数器7 4 l s l 9 3 的加脉冲输入端c u ，进行加法计数：此时， 下面与非门关闭，其输出为高电平( 波形w 4 ) 。当光电编码器逆时针旋转时，通道a 输出波形比通道b 输出波形延迟9 0 。，d 触发器输出q ( 波形w o 为低电平，q ( 波形 w 2 ) 为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平( 波形w 3 ) ；此时，下面与非门打 开，计数脉冲通过( 波形w 4 ) ，送至双向计数器7 4 l s l 9 3 的减脉冲输入端c d ，进行 减法计数。 实际使用的计数电路由多个计数芯片组成，计数范围为0 - 1 3 1 0 7 1 ，为1 7 位二进 制数，和转向信号三位( 0 0 0 ，1 1 1 ) 合为2 0 位二进制数送入i s a 接口，供p c l 7 3 1 b 数据i o 卡使用。 2 2 3 光电编码器计数中存在的问题 光电编码盘内部有两个光栅，如图2 7 ，分别为主光栅和检测光栅( 也叫主光尺 南京航空航犬人学倾十学f 抗论文 和副尺) ，主光栅圆盘上，分布着以激光蚀刻的将圆周等间隔分割的角间距光栅缝， 成辐射状布满整个圆周。检测光栅也是一样，但只有几个到十几个光栅缝，固定在光 电元件和光敏元件中间，当编码盘转动时，主光栅盘转动，在旋转一个间距期间内， 光电元件可检测出副光栅一次光的明暗变化，转化成电信号成为正弦波电压输出，再 将一次正弦波的信号脉冲化，可得到几次脉冲信号的输出，如果将脉冲信号计数，即 可得到旋转角的数字量，如下图所示。 图2 7 编码盘的损坏影响 本系统的光电编码盘由于制造质量上的原因，实际的编码盘内的主光栅圆盘发生 扭曲变形，使主光栅圆盘表面不平，旋转时变形区处的主光栅与副光栅产生磨擦，长 期使用使该区域的主光栅缝破坏，无法与副光栅配合产生明显的光明暗变化，因此也 就无法正常输出光电信号的正弦波信号，造成在该区段内无脉冲输出，如上图中的受 损区域。 编码盘的损伤对位置信号的检测造成了严重的影响，由于编码盘是增量式的，计 数电路依靠对编码器脉冲的累加计数来计算位置信号，无脉冲输出就意味着在该区段 内计数器输出数字信号无正确增量，圆盘旋转一周计不满规定脉冲数，计数器输出达 不到总脉冲数，转换成角度后结果是转盘旋转一周角度最大值不满3 6 0 。，经过实际 测量，反映到最后结果的角度值大约在6 0 。到9 0 。之间无正确增长，最大值只有3 3 0 。 习而f 丙_ _ = i 焉f 面_ _ 飞i 采样扶披 图2 - 8 编码盘损坏引起的非线性 禽、侧曩v籀t 丘右，在6 0 。到9 0 。之归j 出现严重非线性。如上图所示。 转盅的位霞和速度全部由编码盘检测的数据经计算获得，编码盘的数据错误分柿 在损坏区域以外的数据可通过补偿损坏区域应计数修正，但在区域内的数据无法修 矿，因而引起位置和速度误差无法准确消除。 编码盘的数据错误对被控对象的建模和控制都产生了很大的影响，在一定程度上 引起了模型不准确和控制精度低，软件修正的结果因误差过大对实际使用没有意义， 只有更换编码盘才是有效的解决途径。 2 3 数据采集 在一个控制周期中，计算机根据输入的位置信号，进行处理后输入到转台系统控 制器算法程序( 即控制计算机) ，从而得到控制输出，输出的控制信号经过d a 转换 后输出到转台系统的位置环输入端。 从上述分析可以知道，计算机的输入共有4 0 路信号，上下转盘各占2 0 路，其中 1 7 路位置输入信号，三路为转向信号：通过d a 转换的输出信号为一路控制电压模 拟信号。 本系统的数据采集主要由插在i s a 插槽上的两块数据卡完成，其中上下转盘数字 位置信号的读取由p c l 7 3 1 a 完成，控制量输出由多功能数据采集转换卡经d a 转换 后送出。 2 3 1 数据i o 端口地址确定 本系统的操作平台为w i n d o w s 9 8 或w i n d o w s n t 2 0 0 0 或者最新的w i n d o w s x p ， w i n d o w s 系统是3 2 位操作系统，它的i o 端口地址范围从0 x 0 0 0 0 h 到0 x f f f f h 。其 中系统资源已经占用了大部分的i o 端口地址，如键盘的输入输出、系统的c m o s 时钟、内存访问控制器、硬盘控制器等。同时系统也预留了一部分的i o 端口地址供 系统扩展使用，如声卡、网卡、打印机等外围设备，当计算机扩展以上设备时，系统 就会分配这些设备预留的i 0 端口。对于p & p 设备( 即插即用) 来说，操作系统为 这些设备分配i o 端口是自动完成的，无须用户的干涉。但是对于非即插即用设备现 言，就需要手工分配，本系统采用的i s a 卡不是即插即用设备，因此需要手工分配。 在分配i o 端口地址时，要注意的是i s a 卡的端口地址不能和系统现有已分配的 端口地址冲突，所以必须首先了解系统现已分配了哪些端口，然后找到未使用的地址 通过卡上的跳线来设定基地址，在本系统中将两块卡的基地址做如下分配： p c l 一7 31 a b a s e a d d r e s s ：o x 3 0 0 ； p c l - 7 11b b a s e a d d r e s s ：0 x 3 2 0 ； 考虑到用户在使用时所用主控制计算机可能有其它外围设备占用此地址，所以在 主程序中可以设定相应的端口地址，当发生冲突时同时更改卡上跳线和主程序基地址 南京航空航大人学硕士学位论文 即可重新设定i o 端口。 2 3 2位置数字信号读取 4 8 位数据i o 卡p c l 7 3 i a p c l 7 3 1 a 是一个4 8 位数据i o 卡，可以提供4 8 位的并行数据输入输出和8 2 5 5 p p i 芯片的仿真模式0 。 带缓冲的输入和输出提供了更高的驱动能力。p c l 7 3 l ( a ) 的4 8 位被分成6 个8 位的i o 口：a 0 ，b 0 ，c o ，a 1 ，b 1 和c 1 。可以通过软件将每个口 配置为输入或输出。p c l 7 3 1 ( a ) 卡也提供两个硬件中断线。 码盘位置数据地址分配 表二1p c l 7 3 i a 的i o 端口设定 p c l 一7 3 1 a 内有一个8 2 5 5 数据寄存器，通过编程对8 2 5 5 的模式寄存器写数据可 改变8 2 5 5 的工作模式，8 2 5 5 同时提供0 工作模式，在0 工作模式时，系统内存与卡 端口地址建立地址映射，此时可直接向指定端口读写数据而无须建立同步交换，这极 大的方便了数据读写。 本系统中的p c l - 7 3 1 a 仅用来做为数据输入端，对端口的操作只读。此时的 p c l 一7 3 1 a 的i ，o 端口定义如下： 转盘数据的内存地址映射 p c l 一7 3 1 ( a ) 中4 8 位分两个通道c n l ，c n 2 ，每个2 4 位，3 字节。实际使用中每 个通道均使用的是低2 0 位，分别用于接受上下两个光码盘反馈的数字量，它的缓冲 器的基地址设置为0 x 3 0 0 ，因此缓冲器的具体地址为：c n l 的3 个字节由地位到高位 依次与0 x 3 0 0 ，o x 3 0 1 ，0 x 3 0 2 对应，c n 2 的3 个字节由地位到高位依次与0 x 3 0 4 ，0 x 3 0 5 ， ! 簦塑丝型堡兰塑竖至丝堕苎生型茎鲨一一 一 0 x 3 0 6 对应。相应的码盘数据对应地址如下表所示： 表二2 转盘数据的地址映射 内存地址端口数据 0 x 3 0 0 0 x 3 0 1 0 x 3 0 2 0 x 3 0 4 0 x 3 0 5 0 x 3 0 6 转盘a 位置数据低1 6 转盘a 位置数据高1 + 转向数据3 转盘b 位置数据低1 6 转盘b 位置数据高1 + 转向数据3 实际程序中对数据的读取是通过虚拟驱动程序访问端口地址，将每个转盘的端口 地址分为低8 位，中8 位，高4 位分三次读取，然后对其进行加权处理后得到转盘 数据的十进制数，然后由数据处理程序对其进行处理，得到码盘数据实际对应角位移 数( 0 3 6 0 。1 。 2 4 数据输出与转换 2 4 1 数据输出与d a 转换 多功能数据采集卡p c l 一7 1 1 b p c l 7 1 1 b 是一个多功能高性能通用的数据采集卡适用于m m 个人计算机及其 兼容机。p c l 一7 1i b 在一个板上集成了所有数据采集的功能如a d ，d a ，d o 和d i 。 数据采集卡提供了以下一些高级功能： 8 路单端1 2 位模拟输入通道 芯片集成采样保持 - 各种输入电压范围士5 v 士2 5 v 士1 2 5 v 士o 6 2 5 v 和士o 3 1 2 5 v 一个1 2 位单片模拟输出通道 1 6 路数字输入通道 1 6 路数字输出通道 三种a d 触发模式软件触发可编程定时器触发外部脉冲触发 用于a f d 数据传输的可编程i r q 级别 软件兼容于p c l 一7 11 b 输出数据的d a 转换 本系统中由计算机控制程序产生输出控制量的数字量，通过虚拟驱动程序将输出 数据写x 至f p c l 7 11 b 的端口，再经过d a 转换后送住伺服放大器。 在本系统中，p c l 一7 11 b 的i o 端1 2 1 地址分配如下表所示。 南京航空航天人学硕士学位论文 表二3p c l 一7 1 1 b 的y o 端口地址映射 p c l 一7 1 l b 是一个多功能的采集卡，但是其对数字量i o 的支持不够强大，其最主 要的功能是进行a d 和d ，a 转换，对模拟量的采集可达到8 路1 2 精度的数据转换( 扫描 方式) ，转换的触发方式也有中断、内部定时器和软件触发三种，对d a 的转换只有一 路1 2 位精度输出，但是触发方式为高位写入自动转换，所以使用方便，节约系统资源， 适用于本系统的实时控制量输出。 一般情况下由跳线设定卡基地址为o x 3 2 0 ，根据上表可以知道此时使用的输出数 据寄存器地址，分配如下表： 表二- 4 输出控制量数据端口地址 位 i 76 5 r 0 x 3 2 5 i xx xx 32 1 d a l d a 9 o d a 0 d a 8 d a 3 d a l l d a 2 d a l o d a o d a l l 分别是1 2 位数据的l s b ( 低位) 和m s b ( 高位) x ：没有用到 d a 模块的缓冲器的低8 位和高4 位的地址为0 x 3 2 4 和0 x 3 2 5 。模数转换比数 模转换要简单的多，只需将要转换的数字量写入d a 的缓冲器中，经过3 0 微秒的 建立时间( s e t t i n gt i m e ) ，相应的电压值就会输出到模拟量输出口a o 。数字量的数值 计算机控制位置伺服系统的| 殳计和实现 d a n 和输出电压的数学关系如下： v o u t = - g r e f 等一蹄可急 v r e f 是参考电压，取值根据跳线可以为一5 伏或一1 0 伏，v o u t 是输出电压，d a n 是 d a 数字缓冲器里的数字量，范围0 至l j 2 1 2 1 。完成d a 转换前，需要自己通过跳线设 定参考电压。 注意，d a 寄存器是”双缓冲的”，这样d a 模拟输出信号直到第二个高字节被 写入后才被昂| j 新，这个过程可以保证d a 转换的单步骤转换。因此，当向d 恰缓冲器 写入数字时，必须先写低位，因为缓冲器将暂时挂起，不转化并输出，当高位被写入 后，高位和地位相加，然后送到d a 转换器，只要高位写入，转换就自动触发。p c l 一7 1 l b 还包括a d 转换模块，如果本系统中使用外部信号发生器，则需要使用a d 转换。 2 4 2 控制量放大与转换 由计算机上p c l 7 1 1 b 输出的电压信号为0 1 0 v ，由于输出功率仅来自于计算 机主板上的电源，不能提供较大的驱动能力，而且，输出量为单极性正值，无法直接 驱动伺服电机做正反旋转，因此，要使输出信号能够正确地驱动伺服电机转动，必须 要提供相应的功率放大和电压转换。 本系统的功率放大单元设计和一般简单的功放电路类似，在此不再熬述，功放单 元的输入量为p c l 7 1 1 b 的d a 转换输出值，可输出o 5 v 和o 1 0 v 两种，这里设 定为o 1 0 v ，放大器输出端为一1 2 + 1 2 v ，放大倍数为2 4 倍，放大倍数决定了被控 对象模型( 以计算机程序输出为位置环输出端) 的参数，因而对辨识和控制有着很大的 影响，放大电路的好坏直接影响到建模的准确性和控制质量。 在本系统的伺服箱放大电路中，由于设计和元件质量上的原因，存在着严重的温 漂和零点漂移，导致最后放大输出电压为一1 6 6 v 1 2 1 v ，且存在着比较严重的非线 性，因为实际电路在工作中存在种种难以估计的问题，元件的参数发生改变，引起放 大非线性，放大的非线性使实际输出偏离控制输出，辨识中的输入电压信号是由程序 设定的，因此辨识中的原始输入信号数据就已经出现了偏差，这给参数辨识引入了误 差，最终导致了参数辨识的结果不准确，数学模型的辨识结果可信度降低，从而也给 后来以对象数学模型为基础的系统研究带来困难。 在不改动现有放大电路的条件下，可采用以下两点来尽量的减小不利因素造成的 影响： 减小放大电路的输入电压 过大的输入电压会导致放大电路产生饱和失真，原来设定采用的d a 输出电压 为1 0 v ，将其设为5 v 后非线性明显减小，这说明放大回路产生了饱和失真，减小输 入电压，适当调节放大倍数可减小非线性失真。 南京航空航天人学硕士学位论文 对伺服放大器进行预热 放大电路的温漂对功率放大产生影响，导致从开机到一段时间以后的放大倍数增 大1 2 8 倍，在确定比例系数时先开机预热后使之达到稳定状态，此时可获得较准确 的放大倍数，确定的比例系数比较准确。 计算机控制位置伺服系统的设计平实现 第三章系统辨识与对象建模 在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型 是描述系统的内部物理量( 或变量) 之间关系的数字的表达式。它是用来描述对象的运 动规律，分析对象和控制对象行为特性的有力工具。 建立控制系统的数学模型一般有两种方法：分析建模法和实验建模法。分析建模 法是对系统各部分的运行机理进行分析，根据各环节所依据的物理规律或化学规律分 别列写出相应的运行方程。实验建模法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输 出响应，并用适当的数学模型进行逼近，这种方法称为系统辨识。近年来，系统辨识 已发展成为一门独立的学科分支。 在本系统中，相关部件的技术资料的缺乏给分析法建模带来很大困难，但是，由 于相关部件如伺服电机的一般物理特性和运行方程是己知的，柔性轴是被控对象中较 复杂的一个环节，但也可以运用材料力学和弹性力学的知识进行分析进而得到其基本 形式，因此仍然可以通过分析法来列写运动方程，以确定系统阶次和传递函数的大致 形式，然后再结合实验法通过系统辨识的方法来确定参数，从而建立系统的数学模型。 本章将在对系统结构进行分析的基础上，在一定范围内对系统进行合理简化，估 计出系统阶次；然后，利用系统辨识的方法，用自己编写的辨识辅助程序得到原始数 据，再进行对原始数据的滤波和合理的修正，根据系统的输入输出辨识出系统数学模 型的具体参数；最后，对辨识结果进行了验证。 3 1 系统结构分析 3 1 1 被控对象总体分析 本系统的被控对象由伺服电机、上下转盘、上下光电编码盘和中间的柔性连接轴 组成，柔性连接轴可以选择断开和连接两种方式，在柔性连接轴断开的情况下，上转 盘不与系统发生关系，此时系统仅有伺服电机和下转盘、下光电编码盘组成，当柔性 连接轴连接时，系统被控对象则由伺服电机、上下转盘、上下光电编码盘和中间的柔 性连接轴组成( 见图3 - 1 ) ，下面对两种情况下的被控对象分别进行分析。 3 1 2 转台下部结构分析 此时，下部对象由伺服电机和下转盘、下光电编码盘组成，现在对如止所述系统 做如下数学分析： 电