2012年計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、指導(dǎo)教師評(píng)定成績:計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：最少拍無紋波計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名：付春魏丹李H專業(yè)：鐵道信號(hào)班級(jí)：10級(jí)信號(hào)2班學(xué)號(hào)：201080932010808620108102指導(dǎo)教師：黃高勇西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)2012年12月18日18課程設(shè)計(jì)題目最少拍無紋波計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真實(shí)現(xiàn)目錄摘要31課題簡介41.1 課程設(shè)稔f目的41.2 課程設(shè)af內(nèi)容42最小拍無紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)52.1 設(shè)計(jì)原理52.2 算法實(shí)現(xiàn)62.2.1 單位階躍輸入62.2.2 單位速度信號(hào)73最小拍無紋波控制軟件編程設(shè)計(jì)83.1 運(yùn)用simulink進(jìn)行仿真83.1.1 單位階躍信

2、號(hào)83.1.2 單位速度信號(hào)93.2 Matlab程序仿真93.2.1 單位階躍信號(hào)93.2.2 單位速度信號(hào)104無波紋與有波紋的比較114.1 有波紋控制器設(shè)計(jì)及仿真114.2 比較結(jié)果分析135最少拍無紋波控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性問題136設(shè)計(jì)總結(jié)157參考文獻(xiàn)15任務(wù)分配：本文由三人合作完成付春負(fù)責(zé)搜集相關(guān)資料和設(shè)計(jì)原理、控制器設(shè)計(jì)及寫作魏丹負(fù)責(zé)搜集相關(guān)資料和控制器設(shè)計(jì)、仿真及寫作李I(lǐng)I負(fù)責(zé)搜集相關(guān)資料摘要計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等

3、方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。本文通過對最少拍無紋波控制器的設(shè)計(jì)及仿真了解和掌握了最少拍無紋波設(shè)計(jì)及有紋波設(shè)計(jì)。首先，通過學(xué)習(xí)和搜集相關(guān)書籍資料了解和掌握了最少拍控制器的設(shè)計(jì)原理，從而分別根據(jù)單位階躍信號(hào)輸入和單位速度信號(hào)輸入情況，設(shè)計(jì)了不同的最少拍無紋波控制器，并采用Simulink進(jìn)行了仿真，同時(shí)又通過matlab程序驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。其次，我們以單位速度信號(hào)輸入為例，比較了有紋

4、波和無紋波控制器的區(qū)別，最終得出結(jié)論：最少拍無紋波調(diào)整時(shí)間較長，但精度較高；最少拍有紋波調(diào)整時(shí)間較短，但精度較低。最后，我們通過選擇不同的輸入信號(hào)對同一個(gè)最少拍無紋波控制器進(jìn)行仿真，研究了最少拍無紋波控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性問題，最終發(fā)現(xiàn)根據(jù)某一種輸入信號(hào)情況設(shè)計(jì)的無紋波控制器可適用于較低階的輸入信號(hào)情況，但不適用于更高階的輸入信號(hào)情況。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)simulink單位階躍信號(hào)單位速度信號(hào)最少拍無紋波matlab1課題簡介1.1課程設(shè)計(jì)目的1）學(xué)習(xí)并掌握有紋波最少拍控制器的設(shè)計(jì)和Simulink實(shí)現(xiàn)方法；2）研究最少拍控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性及輸出采樣點(diǎn)間的紋波；3）學(xué)習(xí)并掌握最

5、少拍無紋波控制器的設(shè)計(jì)和Simulink實(shí)現(xiàn)方法；4）研究輸出采樣點(diǎn)間的紋波消除方法以及最少拍無紋波控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性。5）編寫算法MATLAB/simulink仿真程序?qū)崿F(xiàn)（模擬步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給過程）6）撰寫設(shè)計(jì)說明書。1.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容下面以一個(gè)具體實(shí)例介紹最少拍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。如圖1所示的采樣-數(shù)字控制系統(tǒng)，圖1離散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Go（s）= 其中對象(s 1)(s 2)Ts1-eH(s)=零階保持器s選擇采牛¥周期T=1s,試設(shè)計(jì)無紋波最少拍控制器，并分析仿真結(jié)果1 .分別在單位階躍/單位速度輸入下設(shè)計(jì)無紋波有限拍控制器2 .在Simulink仿真環(huán)境畫出仿真框圖及得出

6、仿真結(jié)果，畫出數(shù)字控制器和系統(tǒng)輸出波形。3 .與有紋波系統(tǒng)進(jìn)行對比分析（選用單位速度輸入進(jìn)行對比分析即可）4 .探討最少拍無紋波控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性問題2最小拍無紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)原理最小拍控制的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)要求有如下的形式：，(z)=1z,2ZNz-N這一形式表明經(jīng)歷有限個(gè)采樣周期后輸出能跟上輸入的變化，系統(tǒng)在采樣點(diǎn)沒有靜差。根據(jù)z變換的終值定理和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的情況，要求系統(tǒng)的：，e(z)=1：，(z)=(1-z)qF(z)即有；z)=1-：%=1-(1-1)沖出這里F(z)是關(guān)于z的待定系數(shù)多項(xiàng)式。顯然，為了使(z)能夠?qū)崿F(xiàn)，F(xiàn)(z)首項(xiàng)應(yīng)為1,即F(z)=1f1

7、z/f2z'Pz-P因此最少拍控制器D(z)為 Dz1中(z)1-(1-z)q福1-：，(z)=G(z)(1-z)q圖2控制原理圖最小拍無紋波控制系統(tǒng)要求在非采樣時(shí)間的時(shí)候也沒有偏差，因此必須滿足：對階躍輸入，當(dāng)tNT時(shí)，有y(t尸常數(shù)。對速度輸入，當(dāng)tNT時(shí)，有y(t尸常數(shù)。對加速度輸入，當(dāng)tNT時(shí)，有y''(t)=常數(shù)。因此，設(shè)計(jì)最小拍無紋波控制器時(shí)，對速度輸入函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則Gc(s)必須至少有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，使得控制信號(hào)u(k)為常值時(shí)，Gc(s)的穩(wěn)態(tài)輸出是所要求的速度函數(shù)。同理，若針對加速度輸入函數(shù)設(shè)計(jì)的無紋波控制器，則Gc(s)中必須至少有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。最小

8、拍控制的廣義對象含有D個(gè)采樣周期的純滯后G(z)=里2z所以A(z)U(z)=(Z)A(z)R(z)=Gr(z)R(z)其中6Mz)=-z-A(z)。zB(z)zB(z)要使控制信號(hào)u(k)在穩(wěn)態(tài)過程中為常數(shù)或0,那么小Mz)只能是關(guān)于z的有限多項(xiàng)式。因此力(z)=z'B(z)F2(z)=z)(1-bz)F2(z)i4w為G(z)所有零點(diǎn)數(shù)(包括單位圓內(nèi)、單位圓上以及單位圓外的零點(diǎn))。bl,b2,.,bw為其所有零點(diǎn)。2.2 算法實(shí)現(xiàn)2.2.1 單位階躍輸入(1)帶零階保持器的廣義被控對象為G(s)通過matlab,z變換程序?yàn)閚p=002;dp=132;hs=tf(np,dp);hz

9、=c2d(hs,1)Transferfunction:0.3996z+0.147zA2-0.5032z+0.04979Samplingtime:1G(z)=0.3996z(10.368z)(1-0.3676z)(1-0.1356z)(2)無波紋最小拍控制器D(z)因G(Z)有Z因子，零點(diǎn)Z=-0.368,極點(diǎn)P=0.3676,P2=0.1356閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)6(z)應(yīng)選為包含z因子和G(Z)全部零點(diǎn)，所以:中(z)=1-(z)=az(10.368z)6e(z)應(yīng)由輸入形式、G(z)的不穩(wěn)定極點(diǎn)和6(z)的階次三者來決定。所以選擇：，e(z)=(1)(1bz)因e(z)=1-G(z),將上述所

10、得的(z)和GeQ)的值代入后，可得1111(1-z)(1bz)=1-az(10.368z)所以解得a=0.731,b=0.269D(Z)=1-：,e(z)G(Z”，e(Z)_二_11.83(1-0.3676z)(1-0.1356z)11(1-z)(10.269z)2.2.2單位速度信號(hào)將上述按單位階躍輸入是的最少拍無波紋設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器D(z),改為按單位速度輸入時(shí)：力e(z)=1-：，(z)=(1-z4)2(1fnz")山(z)=(10.368z4)(f21z4f22z。由e(z)=1(z)得12111.2(1z)2(1fuz)=1-(10.368z)(f21zf22z)展開對應(yīng)

11、系數(shù)相等，得：3=0.3413,f21=1.6587,f22=-0.9274速度傳遞函數(shù)為：D(Z)=1-：3(z)(1.6587z0.9274z2)(10.3676z,)(10.1356z)G(Z)：3(Z)(10.368z,)(1.6587z,-0.9274z)最小拍無紋波控制軟件編程設(shè)計(jì)3.1運(yùn)用simulink進(jìn)行仿真3.1.1 單位階躍信號(hào)系統(tǒng)simulink仿真模型框圖如下圖圖3單位階躍系統(tǒng)simulink仿真模型框圖圖4單位階躍系統(tǒng)simulink仿真輸出結(jié)果Ub0.2Imeolfwt03.1.2單位速度信號(hào)系統(tǒng)simulink仿真模型框圖如下圖圖5單位速度系統(tǒng)simulink仿

12、真模型框圖圖6單位速度系統(tǒng)simulink仿真輸出結(jié)果3.2Matlab程序仿真3.2.1 單位階躍信號(hào)np=002;dp=132;hs=tf(np,dp);hz=c2d(hs,1);num=1.83-0.92080.0912;den=1-0.731-0.269;dz=tf(num,den,-1);sys1=dz*hz;sys2=feedback(sys1,1);step(sys2,20);1.4StepResponse286ooeauprnA/2oo圖7單位階躍程序仿真結(jié)果3.2.2 單位速度信號(hào)np=002;dp=132;hs=tf(np,dp);hz=c2d(hs,1);num=4.15

13、1-4.40961.3748-0.1157;den=1-1.65870.3170.3413;dz=tf(num,den,-1);sys1=dz*hz;sys2=feedback(sys1,1);step(sys2,20);StepResponse2468101214161820Time(sec)圖8單位速度程序仿真結(jié)果4無波紋與有波紋的比較4.1 有波紋控制器設(shè)計(jì)及仿真以單位速度信號(hào)輸入為例進(jìn)行比較。前面已經(jīng)計(jì)算并仿真了無波紋的情況，下面對有波紋的情況進(jìn)行仿真。首先選擇系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)和誤差的脈沖傳遞函數(shù)1-GZ,并且9(Z)=1-(1-Z)q。其中q=1、2、3取決于輸入信號(hào)的類

14、型。此時(shí)：q=2,由(z)=1-(1z")2得Dz_z=(2-z4)(1-0.3676z,)(1-0.1356z“)zGz1-中z-0.3996(10.368z)(1-z)2檢驗(yàn)誤差：,21Ez尸1-zRz=1-z=Tz(1-z)從E(z)可以看出來，單位速度信號(hào)輸入系統(tǒng)，當(dāng)K之2之后，即兩拍之后，誤差e(k)=0,系統(tǒng)的輸出等于輸入，設(shè)計(jì)正確Simulink仿真結(jié)果如下圖圖9有波紋Simulink仿真輸出結(jié)果Matlab程序及仿真結(jié)果如下:np=002;dp=132;hs=tf(np,dp);hz=c2d(hs,1);num=2-2.00640.6029-0.0498;den=1-

15、1.6320.2640.368;dz=tf(num,den,-1)/0.3996;sys1=dz*hz;sys2=feedback(sys1,1);step(sys2,20);Step Response21.81.61.41.210.80.60.40.20101214161820Time (sec)圖10有波紋程序仿真結(jié)果4.2 比較結(jié)果分析通過比較，在設(shè)計(jì)過程上，最少拍無紋波的設(shè)計(jì)要求6(z)的零點(diǎn)包含G(z)的全部零點(diǎn)，這就是最少拍有紋波與最少拍無紋波的唯一區(qū)別。比較仿真結(jié)果(圖6、圖9):最少拍有紋波在第二拍就和輸入信號(hào)大小相等，但在采樣點(diǎn)外依然存在誤差；最少拍無紋波在第三拍才開始跟隨輸

16、入信號(hào)且之后不存在誤差。所以最少拍有紋波調(diào)整時(shí)間較短，但精度低，采樣點(diǎn)外誤差一直存在。最少拍無紋波調(diào)整時(shí)間較長，但精度高，信號(hào)跟隨后一直保持一種，不存在誤差。5最少拍無紋波控制系統(tǒng)對典型輸入的適應(yīng)性問題首先，我們利用單位階躍輸入時(shí)的無波紋控制器，分別輸入單位速度和單位加速度兩種信號(hào)，結(jié)果如下圖11(a)單位速度信號(hào)輸入(b)單位加速度信號(hào)輸入其次，我再采用單位速度時(shí)的最少拍無紋波控制器，分別輸入單位階躍和單位加速度信號(hào)，輸出結(jié)果如下圖圖12(c)單位階躍信號(hào)輸入(d)單位加速度信號(hào)輸入觀察圖11及圖12,顯然根據(jù)單位速度信號(hào)設(shè)計(jì)的最少拍無紋波控制器用于單位階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)依然可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，

17、如圖12(c)所示。但根據(jù)單位階躍信號(hào)設(shè)計(jì)的最少拍無紋波控制器不適用于單位速度信號(hào)輸入，如圖11(a)所示。所以，適用于高階信號(hào)輸入情況的最少拍無紋波控制器可以應(yīng)用于低階信號(hào)輸入情況，但根據(jù)低階信號(hào)輸入情況設(shè)計(jì)的最少拍無紋波控制器無法應(yīng)用于高階信號(hào)輸入情況?？傊?，我們根據(jù)某種信號(hào)輸入設(shè)計(jì)的最少拍無紋波控制器對低階信號(hào)輸入情況具有兼容性，但對更高階信號(hào)輸入不具有兼容性。6設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，讓我們感覺收獲很多，首先是團(tuán)隊(duì)合作，其次是專業(yè)方面的知識(shí)。一起合作我們感覺很愉快，前期資料的查找，中期的編程和仿真，后期寫作的整理我們既分工合作又相互幫助，遇到不懂的問題我們一起討論，找學(xué)長。在這次學(xué)習(xí)中鍛煉了自己的合作能力。本次課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)習(xí)了最少拍無紋波及有紋波控制器設(shè)計(jì)，matlab,simulink等知識(shí)。經(jīng)過親手操