自动控制综合课程设计单片机控制的角度和位移伺服系统.doc

自动控制综合设计 ——单片机控制的角度和位移伺服系统 指导老师 专 业 姓 名 学 号 设计时间 年 月 目录 一、设计目的及意义··································1 二、控制对象及控制目标······························1 2.1控制对象·····································1 2.2控制目标·····································3 三、设计方案及总体思路·····························3 3.1系统总体设计图·······························3 3.2直流伺服电动机的静态特性···········4 3.3直流伺服电机的动态特性·······················5 四、初步分析系统性能································6 五、具体设计········································9 5.1内环设计·····································9 5.2外环设计····································13 六、性能分析·······································18 七、具体实现、单片机编程···························19 7.1离散化······································19 7.2单片机编程··································20 八、工程设计法（最佳二阶阻尼比法）···················25 九、设计结论········································26 十、工作总结及心得体会······························27 十一、参考文献······································28 一、设计目的及意义 （1）、理论联系实际，加强对自动控制理论的理解。增强分析问题、解决问题的能力。 （2）、熟悉MATLAB软件，掌握它在控制系统设计当中的应用，能熟练进行系统建模、性能分析、模型仿真等操作。 （3）、用单片机进行编程，实现PID的控制算法，了解控制算法的具体实现及单片机软件仿真过程。 （4）、开发创新意识，增进对科学技术的兴趣。 （5）、培养严肃认真的科学态度。 二、控制对象及控制目标 2、1控制对象 大多数现代火车和交通工具采用电气牵引机车，火车的电气机车驱动装置速度控制部分的原理图2、1所示，可得到其传递函数。 图2、1 机车驱动装置速度控制原理图 装置采用转速计产生与速度成比例的电压信号，与分别为指令与速度信号检测值，于是差值信号放大器的输出为 由于稳定时，此时希望系统调节系统部分不工作，即。若令，则有，可得。代入上式并进行Laplace变换得 功率放大器的特性是非线性的，可以由来描述，平衡工作点是，于是采用小偏差线性化方法得线性化模型 对增量进行Laplace变换得 直流电机控制部分中的转动惯量为电动机转动轴惯量与负载折合至电动机转轴的等效惯量，为电动机所受粘性阻尼与折合至电动机轴的负载等效阻尼。若电机负载部分的相关参数为，，，，，。则有 ，， 于是应用MATLAB编程得到机车驱动装置速度控制系统（即机械系统）的传递函数为： g1=540; g2=tf([10],[1 1]); g3=tf([1],[1 0.5]); g4=feedback(g2*g3,1); gs=feedback(g1*g4,0.1) Transfer function: 5400 --------------------- s^2 + 1.5 s + 550.5 2、2控制目标（系统性能指标） （1）、单位阶跃响应时，调整时间少于 2 秒 （2）、超调量少于 5% (3）、稳态误差少于 1% 三、设计方案及总体思路 3、1系统总体设计图 根据设计大纲的要求，本次设计的系统框图如下： — — 图3、1 系统总体设计图 上图为最终设计图，控制系统采用串级控制。分为主控回路（位置环）和副控回路（速度环），每个环节设计相应的控制器以