4实用控制、控制系统设计和实验介绍v

第四章几种实用的控制器设计1.对象具有纯滞后的数字控制器的设计纯滞后环节的实例与问题•水流控制问题，轧钢问题等工业中的化工或热工过程•容易引起超调和持续的振荡•对快速性是次要的，而对稳定性、不超调的要求是主要的解决的方法纯滞后补偿算法、大林算法纯滞后一阶惯性环节的传递函数1.1大林算法•设计原则：是整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节的串联，并且闭环滞后时间和被控对象滞后时间相同•使用场合：对快速性要求不高，而对稳定性、超调要求为主的控制过程。•设计要点：防止产生振铃现象，即控制其输出的大幅震荡。1.2Smith预估计器应用于对快速性要求较高的场合前馈补偿环节传递函数系统图前馈补偿环节传递函数的近似形式采用近似形式后的系统的结构图2.模糊控制技术•适用对象：大滞后、时变、非现行的复杂系统，存在参数变化、随即干扰，而且无法获得数学模型。•思想根源：对人认识世界和控制行为的描述。•历史：–Zadeh在1965年提出模糊控制理论–Mamdani在1974设计了第一个模糊控制器2.1模糊控制数学基础模糊集合：在不同程度上具有某种特定属性的所有元素的综合叫模糊集合隶属函数：用于描述模糊集合，并在[0，1]闭区间上连续取值的特征函数。隶属函数用表示，其中表示模糊集合，而是的元素，满足模糊集合运算：用隶属函数的运算表示隶属函数的确定方法：模糊统计法、二元比排序法、专家经验法模糊关系：自返性、传递性、对称性等)(~xAA~xA~1)(~0xA2.2模糊控制系统模糊控制系统框图模糊控制器组成模糊化接口模糊控制器的确定量输入必须经过模糊化接口模糊化后，转换成模糊矢量才能用于模糊控制，具体可按模糊化等级进行模糊化。知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库存放所有输入输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值，若论域为连续域则为隶属度函数。规则库就是用来存放全部模糊控制规则的。，在推理时为推理机提供规则。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成。推理机在模糊控制器中根据输入模糊量和知识库进行模糊推理，求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。解模糊接口由于被控对象每次只能接收一个精确的控制量，无法接收模糊控制量，因此必须经过清晰化接口将其转换成精确量，这一过程又称为去模糊或模糊判决2.3模糊PID控制混合控制切换控制第五章微型机控制系统的设计与实现1.微型机控制系统的基本设计步骤1.熟悉控制对象：性质、工艺、流程等，确定控制任务和总体方案；2.确定控制算法；3.选择微型计算机系统；4.进行微型计算机系统的硬件设计；5.进行微型计算机系统的软件设计；6.控制系统调试。1.1确定控制系统的总体方案1.确定系统所采用的控制方式；2.选择检测元件和执行机构；3.选择输出通道和外围设备；4.画出整个系统的原理框图。1.2确定控制算法总体原则：根据对象的特点和控制要求来确定1.一般可采用数字PID算法；2.对于系统变化较快的系统，可采用最小拍控制；3.对于带有纯滞后环节的系统，可采用滞后补偿等算法；1.3选择微型计算机系统1.确定系统所采用的结构形式：集中式或分布式2.确定微型计算机系统的类型：一般微机、工控机、PLC、单片机3.确定微型计算机系统的具体型号：实时性、可靠性、处理能力、通信功能、速度、软件支持、性能价格比等1.4控制系统硬件设计主要硬件部分划分1.CPU控制部分：总线设计、存储器等2.逻辑控制部分3.接口部分4.人机交互部分1.5控制系统软件设计1.主要结构：系统软件、应用软件和管理软件2.编程语言的选择：•汇编语言•高级语言，如C语言•混合编程1.6控制系统调试2.微型机控制系统的实例—球杆控制系统2.1物理结构基本要求：在最短时间内，将小球定位在杆的某一位置，允许有一定的超调，定位误差限制在测量误差范围内。2.2系统框图电机部分球杆部分反馈环节＋－PID调节2.3硬件系统框图2.4硬件系统介绍GT系列运动控制器GT-400-SV-PCI-G是固高科技公司生产的实验设备，该系统是以IBM-PC机为主机的PCI系列产品。提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，以方便用户配置系统。提供C语言函数库和Windows动态连接库，能够实现复杂的控制功能。使用该运动控制器，要求用户具有C语言和Windows编程经验。组件：•具有PCI插槽的IBM-PC兼容机；•运动控制器，连接板；•基于滑杆的位置测量系统；•具有增量式编码器的伺服电机或步进电机；•驱动器，驱动器电源；•＋12V~＋24V直流电源（用于接口板电源）•原点开关，正负限位开关；•控制伺服电机时，控制器输出＋/－10V模拟电压控制信号。•控制步进电机时给出两种控制信号：正负脉冲信号；脉冲/方向信号。2.5系统模型：球杆机械部分小球在导轨上做加速运动。根据动力学方程可得：如果忽略摩擦力的作用，上式可近似为由于很小，所以上式可以线性化为：在角度很小的时候，角度之间近似成线性关系,从而可得：可见，该球杆系统是一个二阶系统。sincosggaxgsin2)()(sgssx2)()(scssx电机部分传递函数：其中：La为电枢线圈的等效电感，Ra为等效电感。K2为电机力矩常数，K1为电枢电压放大器输出,K3为电机反电势常数Θ为电机角位移,Ev为未放大时的电枢电压J0为电机、负载折合到电机轴上的齿轮装置转动惯量B0为电机、负载折合到电机轴上的齿轮装置的粘性摩擦系数La很小，可忽略不计。得到下式当Ra和J0比较小时，电机的时间常数也比较小。此时如果把它忽略不计，就可以将电机模型简化为一个理想的积分器加入PID控制器之后，闭环系统传递函数为sKmsEssGv)()()(2.6PID控制参数的整定由于球杆系统实验中的杆只有40厘米，所以小球在上面的运行时间不长，对阶跃响应差别不明显。所以阶跃相应曲线法的参数整定结果并不理想。因此采用了临界比例法对控制参数进行整定。步骤让带有调节器的系统闭合回路仍然起作用，但暂时去掉积分环节和微分环节，只保留比例作用。然后逐渐将调节器的比例带减小，即增加kp的值。观察小球在杆上的运动过程。如果发散则减小kp值。直到找到一个kp，使得小球发生4～5次等福震荡，就可以认为达到临界状态，记录此时的数据。通过绘图，找到临界震荡的震荡周期Tx，利用此时的kp，Tx，查表就可以求得PID的参数值临界等幅震荡2.7软件流程图初始化运动控制器参数更新并设置定时器判断定时器相应进行参数的显示刷新开始计时定时器1定时器2判断当前工作输入控制参数和目标位置关闭定时器点击按钮“输入参数”点击按钮“平衡位置”设置当先杆的位置为平衡位置点击“控制”按钮进入“控制”函数2.8实验过程：实验一熟悉整个系统，熟悉编程环境，通过加载动态链接库并调用其中的控制指令对球杆系统进行简单的控制。编写初始化程序，电机转动控制，球位采样实验二编写程序对球杆系统进行PID控制，使得小球以任意位置出发，最终能够稳定在指定的目标位置。要求误差不超过1cm分析球杆系统模型，通过仿真确定PID控制方法的可行性确定控制方案并建立程序流程图编写控制程序。采取适当的方法进行参数整定。