数字控制系统的设计与实现教学ppt课件

1、第第12章章 数字控制系统的数字控制系统的设计与实现设计与实现 本章论述数字控制系统程序设计方面的有关问题，本章论述数字控制系统程序设计方面的有关问题，并举例数字控制系统的设计与实现。并举例数字控制系统的设计与实现。 12.1 实时软件设计的几个问题实时软件设计的几个问题 程序程序(programing)设计是数字控制系统实现的一个重要设计是数字控制系统实现的一个重要方面。由于数字控制系统是实时控制，在一个采样周期内必方面。由于数字控制系统是实时控制，在一个采样周期内必需完成一个控制步的操作。需完成一个控制步的操作。 12.1.1 实时控制程序根本流程实时控制程序根本流程 实时控制程序根本流程

2、，由两部分组成，对于单输入单输实时控制程序根本流程，由两部分组成，对于单输入单输出控制系统，见图出控制系统，见图12-1-1。 初始化程序初始化程序 初始化初始化(initialize)程序也称主程序，用于设置控制系统输程序也称主程序，用于设置控制系统输入、控制参数、采样周期及输入入、控制参数、采样周期及输入/输出控制方式。输出控制方式。控制效力程序控制效力程序 控制效力程序控制效力程序(control service routine)也称控制子程序，在也称控制子程序，在一个采样周期内完成一个控制步的一切操作。一个采样周期内完成一个控制步的一切操作。 控控制制子子程程序序控制量的输出和存储控制

3、量的输出和存储图图12-1-1 12-1-1 实时控制程序根本流程实时控制程序根本流程 YN开开 始始主程序：初始化设置主程序：初始化设置数据采集数据采集控制算法控制算法采样采样?1t2t3t12.1.2 实时软件设计实时软件设计 数字控制系统运用于工程中，软件数字控制系统运用于工程中，软件software设计除上设计除上述根本流程外，还需思索以下几个问题述根本流程外，还需思索以下几个问题:1 人机对话程序人机对话程序 人机对话人机对话 ( man-machine interaction)是指计算机经过显是指计算机经过显示器或打印设备，向操作人员提供有用的信息，操作人员可示器或打印设备，向操作

4、人员提供有用的信息，操作人员可经过键盘向计算机输入信息，以控制程序的运转，或设置、经过键盘向计算机输入信息，以控制程序的运转，或设置、修正、调试系统有关参数。修正、调试系统有关参数。 2 输入信号的预处置输入信号的预处置 为抑制各种环境干扰及量测噪声，对输入至计算机的采为抑制各种环境干扰及量测噪声，对输入至计算机的采样信号进展预处置有时是很需求的。样信号进展预处置有时是很需求的。 1算术均值算术均值 每一采样周期取每一采样周期取N次输入，求次输入，求N次的算术平均值作为本次次的算术平均值作为本次采样值：采样值： NiikeNke1)(1)(2加权均值加权均值 每一采样周期取每一采样周期取N次输

5、入，求次输入，求N次加权均值次加权均值: Niiikecke1)()( Niic11式中式中, c i :加权系数，由设计者依详细情况确定。加权系数，由设计者依详细情况确定。 以上两种预处置模型，适用于变化较快的信号。以上两种预处置模型，适用于变化较快的信号。 3一阶滤波算法一阶滤波算法 10, )()1()1()( akeakaekeff式中，式中， e(k) :滤波器第滤波器第k周期采样输入；周期采样输入； ef(k):滤波器第滤波器第k周周期输出；期输出； a :滤波系数。滤波系数。 3 其它问题的处置其它问题的处置 1 对异常信号的处置对异常信号的处置 为使系统平安运转，对一些信号需进

6、展巡回检测，并为使系统平安运转，对一些信号需进展巡回检测，并设置相应的上、下限，超出限制时，为异常形状，产生报设置相应的上、下限，超出限制时，为异常形状，产生报警信号，并进展相应的处置，如警信号，并进展相应的处置，如:自动切换到手动形状等。自动切换到手动形状等。 2 系统运转形状的显示及记录系统运转形状的显示及记录3数制、代码转换程序数制、代码转换程序 假设假设A/D、D/A转换器的数字信号与控制算法所用数制、转换器的数字信号与控制算法所用数制、代码不同，需设计转换程序。代码不同，需设计转换程序。 4 程序的质量目的程序的质量目的 程序的质量用程序的质量用“时空目的来衡量。时空目的来衡量。 “

7、时间目的，指执行控制效力程序所需的时间，它关时间目的，指执行控制效力程序所需的时间，它关系到计算时延的大小，影响到系统的性能。系到计算时延的大小，影响到系统的性能。 “空间目的，指程序所占的容量。空间目的，指程序所占的容量。 5 程序实现言语程序实现言语 有多种高级言语可用于实时控制，例如：有多种高级言语可用于实时控制，例如：C言语等，高言语等，高级言语之优点为编程较容易，修正也比较方便。级言语之优点为编程较容易，修正也比较方便。 6 系统软件的支持系统软件的支持 实时控制程序的编辑、调试、衔接、运转等都离不开系实时控制程序的编辑、调试、衔接、运转等都离不开系统软件的支持。充分利用系统软件及有

8、关的子程序统软件的支持。充分利用系统软件及有关的子程序 (库库)，可，可以加速及简化控制软件的研制与开发。以加速及简化控制软件的研制与开发。 12.2 高精度角位置伺服系统高精度角位置伺服系统 图图12-2-1 角位置伺服系统框图角位置伺服系统框图计算机系统计算机系统速率控制速率控制测角系统测角系统角度七位显示角度七位显示可逆计数器可逆计数器D/A校正校正及功放及功放转台转台力矩电机力矩电机测角元件测角元件前置放大前置放大角度增量编码器角度增量编码器0000000A/D显示器显示器,键盘键盘打印机打印机硬盘驱动器硬盘驱动器主机主机并行并行I/O接口接口12.2.1 控制系统硬件构造控制系统硬件

9、构造 计算机控制的高精度角位置伺服系统硬计算机控制的高精度角位置伺服系统硬件构造见图件构造见图12-2-1，主要由四部分组成。，主要由四部分组成。 1. 计算机系统计算机系统 主要功能为按照设计的控制规律，实现主要功能为按照设计的控制规律，实现对系统的角位置控制。对系统的角位置控制。 2. 速率控制系统速率控制系统 由可逆计数由可逆计数 器、器、D/A转换器、校正及功转换器、校正及功率放大器、执行机构力矩电机、测角元率放大器、执行机构力矩电机、测角元件、前置放大、角度增量编码器组成的速率件、前置放大、角度增量编码器组成的速率反响系统。该系统采用数字式丈量、模拟式反响系统。该系统采用数字式丈量、

10、模拟式驱动的数驱动的数/模混合控制，因此具有二者的优点，模混合控制，因此具有二者的优点，既到达了高分辨率既到达了高分辨率0.0002，又有足够的，又有足够的功率驱动被控对象。功率驱动被控对象。3. 测角系统测角系统 由测角元件由测角元件360对极的感应同步器和一对极的感应同步器和一对极的旋转变压器、前置放大器及角度对极的旋转变压器、前置放大器及角度A/D转换器组成，分辨率为转换器组成，分辨率为0.0001，测角范，测角范围围0.0001359.9999，精度为角秒级，用，精度为角秒级，用7位位BCD码定点制数据显示并输出，测角原理见码定点制数据显示并输出，测角原理见例例9-3-4、9-3-5。

11、 4. 被控对象被控对象 转动惯量转动惯量J可达几千几万克可达几千几万克厘米厘米秒秒2 g . cm . s2的的转台。转台。 控制系统特点：双回路控制，速率控制取角度增量信号为控制系统特点：双回路控制，速率控制取角度增量信号为反响量，可提高速率的平稳性；位置控制取角度信息为全量反响量，可提高速率的平稳性；位置控制取角度信息为全量位置反响信号，可到达角秒级定位精度。位置反响信号，可到达角秒级定位精度。 12.2.2 系统设计系统设计 双回路控制系统设计原那么：用快速内回路速率控制回双回路控制系统设计原那么：用快速内回路速率控制回路抑制干扰，需采用较高的增益及较宽的带宽。主回路路抑制干扰，需采用

12、较高的增益及较宽的带宽。主回路位置控制回路采用较窄的带宽以保证精度。位置控制回路采用较窄的带宽以保证精度。 伺服系统原理图见伺服系统原理图见12-2-2。速率控制系统采用典型的二型。速率控制系统采用典型的二型系统，要求带宽为系统，要求带宽为10Hz。位置控制选用非线性控制，为抑制。位置控制选用非线性控制，为抑制量测噪声，由一阶数字滤波实现反响信号的预处置。量测噪声，由一阶数字滤波实现反响信号的预处置。 用延续化方法进展系统设计，再离散化。用延续化方法进展系统设计，再离散化。 1速率控制速率控制 速率回路开环传送函数：速率回路开环传送函数： )1()1()(2 shTssTKsGddvv需确定之

13、参数为开环增益需确定之参数为开环增益KV、微分时间常数、微分时间常数Td及常数及常数h，即确定两个转机频率即确定两个转机频率 2 、 3，见图，见图12-2-3。 图图12-2-2 控制系统原理框图控制系统原理框图 图图12-2-3 速率回路开环幅频特性速率回路开环幅频特性020dB 3 8 .62 c 2 -40-40取开环剪切频率取开环剪切频率w c近似闭环近似闭环带宽带宽10Hz，那么有：，那么有： sradc/8 .62102 取取 ，那么有：，那么有： 3/2c sTcd048. 0/3/12 确定确定 ，选取选取h=20，那么，那么 sTd05. 0 )10025. 0()105.

14、 0()1()1()(22 sssKshTssTKsGvddvvsradJKKKsradmdvc/5 .1412/8 .62 ，可可确确定定由由 式中，式中，Kd：衰减网络与：衰减网络与D/A转换系数之积；转换系数之积；Km：功放级增：功放级增益，益， ；J：转动惯量，：转动惯量， 。 VcmgKm/8340 210000scmgJ 设计得到速率回路开环传送函数：设计得到速率回路开环传送函数： )10025. 0()105. 0(5 .1412)1()1()(22 sssshTssTKsGddvv闭环传送函数：闭环传送函数： 5 .1412625.700025. 0)105. 0(5 .141

15、2)1()(1)()(2323 ssssKsTKsshTsTKsGsGsHvdvddvvvv相位裕量、增益裕量：相位裕量、增益裕量： 8 .6411sin1 hhrm gK2. 位置控制位置控制 位置控制反响信号位置控制反响信号q j(k) 采用一阶数字滤波预处置，滤采用一阶数字滤波预处置，滤波器输出：波器输出： )()1()1()(kakakjff 滤波器滤波器Z传送函数：传送函数： 111)()()( azazzzGjff )()()(kkkfie 偏向角或失调角：偏向角或失调角： 转向控制需求根据偏向角之大小与符号确定。转向控制需求根据偏向角之大小与符号确定。 控制器输入失调角，输出转速

16、与转向控制信号，转速控制：控制器输入失调角，输出转速与转向控制信号，转速控制： )(,0)(,)(,112122kppkpdpkddeee 式中式中, d：输出的转速信号，：输出的转速信号， d2 、d1 ：分别为高倍及低倍速：分别为高倍及低倍速率；率；p2 、p1 :分别为控制器大偏向、小偏向切换点。分别为控制器大偏向、小偏向切换点。 (12-2-11) 位置系统设计，就是要确定滤波系数、控制器参数位置系统设计，就是要确定滤波系数、控制器参数d1 、 d2 、 p1、 p2 及采样周期及采样周期T，设计过程需经多次反复，及，设计过程需经多次反复，及系统仿真、系统实验等过程，才干最后确定。系统

17、仿真、系统实验等过程，才干最后确定。 参数确定准那么：参数确定准那么： p1 p1由系统分辨率确定，由系统分辨率确定，p2p2、d1 d1 、 d2 d2 由系统仿真、由系统仿真、阶跃输入动态过程无超调，及系统能够产生的速率信号确定阶跃输入动态过程无超调，及系统能够产生的速率信号确定: : 0002. 01 psd/004. 01 005. 02 psd/1 . 02 采样周期采样周期T 与系统带宽有关，对于此非线性系统，用描与系统带宽有关，对于此非线性系统，用描画函数表示其特性，得到位置系统开环等效带宽，并分析其画函数表示其特性，得到位置系统开环等效带宽，并分析其稳定性，进而经反复仿真等手段

18、，确定采样周期。稳定性，进而经反复仿真等手段，确定采样周期。 过程如下：过程如下： 由式由式12-2-12得到描得到描画函数等效增益画函数等效增益 ，与与 之关系曲线见图之关系曲线见图12-2-4。 NKN ep /1图图12-2-4 描画函数等效增益描画函数等效增益 非线性环节延续化描画函数：非线性环节延续化描画函数： 211211221112121110,)(1)(4)(141,)(141,0ddppbddpdNpddpdNpNeeeeeeeee 式中式中, q e :正弦输入之幅值；正弦输入之幅值；b: 。 25/12 dd12-2-12 为便于设计与分析位置伺服回路，将速率回路，式为便

19、于设计与分析位置伺服回路，将速率回路，式12-2-6用一个二阶环节来近似：用一个二阶环节来近似： cnnnnvsssH ,2)(222 由二阶环节由二阶环节 曲线得到，对于本例，曲线得到，对于本例， ，那么，那么 ，有：，有： r8 .64 mrr7 . 0 39448839448 .62888 .62)(2222 sssssHv位置回路开环传送函数可用下式描画：位置回路开环传送函数可用下式描画： )394488(39441)()(2 sssKssHKsGNvNp式中式中, KN由图由图12-2-4中最大中最大KN代入，代入， KNmax =12.9，那么剪切，那么剪切频率附近之开环幅频特性，

20、频率附近之开环幅频特性，如图如图12-2-5，最大等效带宽：，最大等效带宽： 。sradpc/4 .10 010.4图图12-2-5 位置回路开环等效带宽位置回路开环等效带宽-20dB/10倍频程倍频程20dB sTpcs061. 01022 采样周期采样周期T应满足：应满足： 取取 。 sT02. 0 滤波系数滤波系数a由低速率形状下稳态跟踪误差目确实定，设由低速率形状下稳态跟踪误差目确实定，设计过程如下。计过程如下。 由上式可知，对应于阶跃输入，稳态误差为由上式可知，对应于阶跃输入，稳态误差为0。对于。对于 之斜坡输入：之斜坡输入： sd/004. 01 21)1()( zTzdzj 代入

21、上式，由终值定理得：代入上式，由终值定理得： TdaazTzdazzazzEkezzk121111)1()1()1(lim)()( sd/004. 01 设设 时，稳态跟踪误差：时，稳态跟踪误差：0002. 0)()()( kkkefjk 12-2-16 由式由式12-2-16、12-2-9得滤波器误差得滤波器误差Z传送函数：传送函数： )()1()(11)()()()(1zazzazazazzzzEjjjfj 那么那么 , 取取a=0.5。 代入式代入式12-2-16得：得： 0002. 002. 0/004. 0111 ssaaTdaa714. 0 a 分别画出由式分别画出由式12-2-6

22、确定的幅相频率特性曲线确定的幅相频率特性曲线HV(j )与描画函数倒幅特性与描画函数倒幅特性-1/N，见图，见图12-2-6， HV(j )与负实轴之与负实轴之交点为交点为-0.012，在负实轴之最大值为，在负实轴之最大值为-0.0775，二者不相交，可，二者不相交，可见非线性延续位置控制系统是稳定的。见非线性延续位置控制系统是稳定的。 图图12-2-6 稳定性分析稳定性分析 12.2.3 系统检验系统检验 检验由延续检验由延续化设计得到的非化设计得到的非线性位置控制系线性位置控制系统的稳定性。统的稳定性。 由系统仿真计算及系统实验得到，本系统当由系统仿真计算及系统实验得到，本系统当T=0.1

23、8s时，时，为临界稳定形状。可见取为临界稳定形状。可见取T=0.02s时有相当的稳定裕量的。时有相当的稳定裕量的。 控制软件由初始化与实时控制两部分组成，数字滤波与控制软件由初始化与实时控制两部分组成，数字滤波与控制算法采用控制算法采用7为为BCD码定点制数据构造。码定点制数据构造。 程序设计采用模块化构造，为了使操作人员了解系统的程序设计采用模块化构造，为了使操作人员了解系统的形状，还包括每形状，还包括每5秒在秒在CRT上显示系统运转形状的程序。上显示系统运转形状的程序。 这里主要引见角位置伺服软件设计的特殊问题。这里主要引见角位置伺服软件设计的特殊问题。1. 0/360跳变点的处置跳变点的处置 由于被控对象作圆周运动，角度由于被控对象作圆周运动，角度A/D转换器采用转换器采用360进制，进制，因此在设计与实现数字滤波、控制规律、求偏向角算法程序因此在设计与实现数字滤波、控制规律、求偏向角算法程序时，必需思索时，必需思索0/360跳变点的处置程序，否那么运算结果跳变点的处置程序，否那么运算结果将出现错误。将出现错误。 2. 最小转角控制算法最小转角控制算法CA 角位置伺服做圆周运动，当设定角位置后，对象由所在角位置伺服做圆周运动，当设定角位置后，对象由所在位置如何经最小转角