基于数字控制器的系统设计.doc

目录 第一章 概述 1 1.1 题目背景及应用意义 1 1.2 本文内容及工作安排 2 第二章 系统组成及被控对象分析 3 2.1 系统组成 3 2.2 被控对象分析 6 第三章 控制策略设计及仿真研究 8 3.1 控制策略设计 8 3.2 仿真研究 10 第四章 控制策略实现 12 4.1 组态环境下控制策略编程实现 12 4.2 运行结果分析 17 第五章 总结 18 参考文献 19 第一章 概述 1.1 题目背景及应用意义 与模拟控制方案相比，数字控制器有很多优点：能改善系统可靠性、灵活性，并且易于集成、优化，以及能实现先进的控制技术，采用数字控制器的系统能降低系统平均故障时间元件的需求较少，例如，去掉了反馈回路的所有元件；另外，用软件编程代替了选择测试以及按照设计规范选择元件。当为满足一个新需要而修改设计时，可能就不需要重新做电路板布局，也不要很多工程时间，而是用软件来完成修改。增加的监控保护和预防功能也增加了系统的可靠性。 基于数字控制器的系统可用软件来修改控制器功能，因此非常灵活。数字控制器可增加、删除或修改任何系统参数，以满足新的系统要求，或优化和校准系统。因为容易整合通信功能，数字控制器还便于将各种系统整合和级联起来，数字控制器还能方便地实现先进控制技术，而不需要增加额外成本或复杂性。基于以上的分析，选择数字控制器来调节模拟对象，对于工业控制来说，意义非常重大。 因此，选择数字控制器来调节模拟对象被越来越多的用到了现代工业中，并在现代工业中发挥了巨大的作用。 1.2 本文内容及工作安排 本次课程设计主要是通过对模拟对象电路的组成元件和工作原理进行分析，了解各元件的功能及作用。并根据其系统组成建立模拟对象的数学模型，计算阻尼比，自然频率，被控对象闭环传递函数、超调量、调节时间。由此分析被控对象的性能和特点，再根据实际需要对其进行校正，使超调量和调节时间符合实际生产需要。 由各参数制定基于模拟对象数字控制系统的控制策略，选择合适的校正方法，然后在MATLAB/SIMULINK环境下对控制系统进行仿真研究，观察系统的输出波形，计算其超调量和调节时间，分析其是否符合实际需要。如参数符合实际要求则设计相应的控制策略，并在组态软件下实现，最终实现模拟对象的数字控制。 各章节内容： 主要介绍本次课程设计的背景及意义，再介绍本次课程设计的总体内容 和各章节主要内容。 主要是模拟对象数字控制系统的组成分析，被控模拟对象的数学建模分析。 主要介绍控制策略的设计及系统仿真研究。 第四章 主要内容是在组态环境下控制策略编程实现。 第二章 系统组成及被控对象分析 2.1 系统组成 基于模拟对象数字控制系统的试验装置主要由计算机，多功能数据采集板卡，模拟对象电路板三部组成。 计算机用来采集完成控制策略的仿真研究和实现输入输出数据显示和曲线绘制、过程动画组态等。 多功能数据采集板卡主要从模拟对象电路板实现实时采集数据送入计算机，并把经过计算机内部控制策略解算所得的控制量转换后送给模拟对象电路板。 模拟对象电路板采用运算放大器和阻尼元件组成的实验对象，可以组成两路单输入单输出模拟系统或完全解耦的双输入双输出的模拟系统，也可以组成双输入双输出系统。需要提供+/-12DC电源。 该系统主要有输入电力部分（0~5v），比较限幅环节（-5~5v），电平转换环节（-5~5v）to(0~5v）or（0~10v），数字控制器，电平转换环节（+5v~0）or（+10v~0）to（-5v~5v），反馈信号（0~5v），控制对象组成。 各部分完成功能： 输入电路部分（0~5v）主要用于产生阶跃信号。 比较限幅环节（-5~5v）是把输出信号幅度限制在一定范围内，亦即当输入电压超出或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且不再随输入电压变化。 电平转换环节（-5~5v）to（0~5v）or（0~10v）将输入正负模拟信号，依据模拟通道的选择，分别转换为（0~5v）or（0~10v）两路输出; 数字控制器 主要是利用计算机采集外电路模拟信号，将模拟信号转化为数字信号，按照要求设计的数字控制器处理数字信号，然后再将数字信号转化为模拟信号输出。 电平转换环节（+5~0v）or（+10v~0）to（-5v~5v）将计算机处理的模拟信号再进行电平转换; 控制对象 该系统所控制对象，是计算机处理信号的一路反馈信号，最终控制该对象；反馈信号（0~5v）将控制对象的数据采回，并与输入信号产生偏差输入信号； 工作原理： 外围电路结构图如下 结构框图如下 输入电路部分（0~5v），比较限幅环节（-5~5V），电平转换环节（-5~5v）to（0~5