《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》教案

1、教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的教學(xué)重點(diǎn)建議學(xué)時(shí)教學(xué)教具與方法學(xué)習(xí)必備歡迎下載1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件掌握微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟悉數(shù)字量化及采樣頻率的設(shè)計(jì)方法、狀態(tài)檢測(cè)的基本方法。了解微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu)。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，數(shù)字量化及采樣頻率的選擇。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu)2學(xué)時(shí)PPT演示軟件教案3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，但控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作

2、成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，更改起來(lái)靈活方便。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化：1）在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)，這就是離散化。2）經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。離散化和數(shù)字化的結(jié)負(fù)面效應(yīng)：時(shí)間上和量值上的不連續(xù)性。1）產(chǎn)生量化誤差，影響控制精度和平滑性。2）提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。3.1.1數(shù)字量化K量化的原則：在保證不溢出的前提下，精度越高越好?？捎么?/p>

3、儲(chǔ)系數(shù)來(lái)顯示量化的精度例題3-1。3.1.2采樣頻率的選擇香農(nóng)（Shannon）采樣定理。實(shí)際信號(hào)的最高頻率很難確定，對(duì)非周期性信號(hào)（系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程）來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)必備歡迎下載其頻譜為0至的連續(xù)函數(shù)，最高頻率fmax理論上為無(wú)窮大。因此，難以直接用采樣定理來(lái)確定系統(tǒng)的采樣頻率。在一般情況下，可以令采樣周期min，TT(41sam10)Tmin為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)。3.1.3微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。1系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式：模擬給定和數(shù)字給定。2.狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)際狀態(tài)量，例如轉(zhuǎn)速、電壓和電流等，在閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)該反饋給微機(jī)，因此必須首先檢測(cè)出來(lái)。

4、轉(zhuǎn)速檢測(cè)：模擬和數(shù)字兩種檢測(cè)方法，包含了轉(zhuǎn)速的大小和方向。電流和電壓檢測(cè)：電流和電壓檢測(cè)除了用來(lái)構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外，還是各種保護(hù)和故障診斷信息的來(lái)源。極性轉(zhuǎn)換：由于多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換電路只是單極性的，必須將雙極性的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到以偏移碼表示的數(shù)字量送入微機(jī)。但偏移碼不能直接參與運(yùn)算，必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼，然后進(jìn)行閉環(huán)控制。3.輸出變量用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷，也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去控制功率變換器。隨著電機(jī)控制專用單片微機(jī)的產(chǎn)生，前者逐漸成為主流。3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件微機(jī)數(shù)字控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5、，圖3-3。n*digI*ddigASRACRUPEM+ddig-ndig-IK-KFBS微機(jī)學(xué)習(xí)必備歡迎下載3.2.1微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，圖3-4。1主回路三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。2檢測(cè)回路檢測(cè)回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中電壓、電流和溫度檢測(cè)由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)字測(cè)速。3故障綜合對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即通知微機(jī)，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。4數(shù)字控制器專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)

6、的Intel8X196MC系列或TMS320X240系列單片微機(jī)，本身都帶有A/D轉(zhuǎn)換器、通用I/O和通信接口，還帶有一般微機(jī)并不具備的故障保護(hù)、數(shù)字測(cè)速和PWM生成功能。3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件框圖微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。1主程序：主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外設(shè)通信等功能。主程序框圖，圖3-5。學(xué)習(xí)必備歡迎下載N開始系統(tǒng)初始化有鍵按下嗎？Y鍵處理刷新顯示數(shù)據(jù)通信2初始化子程序：完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖，

7、圖3-6。系統(tǒng)初始化設(shè)定定時(shí)器、PWM、數(shù)字測(cè)速工作方式設(shè)定I/O、通信接口及顯示、鍵盤工作方式參數(shù)及變量初始化返回3中斷服務(wù)子程序：完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。三種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，電流調(diào)節(jié)中斷次之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級(jí)別最低。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的教學(xué)重點(diǎn)建議學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)必備歡迎下載數(shù)字測(cè)速掌握三種基本的數(shù)字測(cè)速方法，各自的特點(diǎn)、性能指標(biāo)及應(yīng)用場(chǎng)合。數(shù)字測(cè)速指標(biāo)：分辨率、誤差率。M法測(cè)速，T法測(cè)速，M/T法測(cè)速1.5學(xué)時(shí)PPT演示軟件教學(xué)教具與方法3.3數(shù)字測(cè)速檢測(cè)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)速成正

8、比的脈沖，然后計(jì)算轉(zhuǎn)速，有三種數(shù)字測(cè)速方法：即M法、T法和M/T法。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)CC角信號(hào)，圖3-10。發(fā)光裝置V接收裝置教案軸碼盤3.3.1數(shù)字測(cè)速指標(biāo)1分辨率改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來(lái)表示分辨率，用符號(hào)Q表示。轉(zhuǎn)速由n變?yōu)閚時(shí)，引起記數(shù)值改變了一個(gè)字，則該測(cè)速方法的分辨率是12Qnn。Q越小，說(shuō)明該測(cè)速方法的分辨能力越強(qiáng)。212測(cè)速誤差率轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)量值之差n與實(shí)際值n之比定義為測(cè)速誤差率，%n100%，測(cè)速誤差率反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，%越小，準(zhǔn)確度n越高。學(xué)習(xí)必備歡迎下載3.3.2M法

9、測(cè)速測(cè)取T時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平c1均轉(zhuǎn)速，稱作法測(cè)速，圖3-11。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n60MZTc1Tcr/min，M1M法測(cè)速的分辨率：Q60(M1)60M1ZTZTcc160ZTcM法測(cè)速誤差率：160(M1)cZTmax%100%100%1M60M60MZTc1cZT11M法測(cè)速適用于高速段，3.3.3T法測(cè)速記錄編碼器兩個(gè)相鄰輸出脈沖的間的高頻脈沖個(gè)數(shù)M2，f0為高頻脈沖頻率，圖3-12。M2TMt2f0電機(jī)轉(zhuǎn)速60f0n60r/minZTtZM2學(xué)習(xí)必備歡迎下載T法測(cè)速的分辨率：60f60f0QZ(M1)ZM2法測(cè)速誤差率：0260fZn20或QZM(M

10、1)60fZn220060fmax%100%100%0M160fZ(M1)ZM12260fZM202T法測(cè)速適用于低速段。3.3.4M/T法測(cè)速把M法和T法結(jié)合起來(lái)，既檢測(cè)TC時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測(cè)速。采用M/T法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉以減小誤差。電機(jī)轉(zhuǎn)速n圖3-1360MZTt60Mf101r/minZM2M1M2Tc教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的教學(xué)重點(diǎn)建議學(xué)時(shí)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器掌握數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法及其軟件的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字PI的改進(jìn)的方法。模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化，位置式和

11、增量式算法。改進(jìn)的數(shù)字PI算法：積分分離算法。1.5學(xué)時(shí)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Wpi(s)U(s)學(xué)習(xí)必備歡迎下載PPT演示軟件教學(xué)教具與方法3.4數(shù)字PI調(diào)節(jié)器3.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。Ks1piE(s)s時(shí)域表達(dá)式可寫成u(t)Ke(t)1pie(t)dtKPe(t)KIe(t)dt，KK為比例系數(shù)，K1為積分系數(shù)。Ippi離散化成差分方程，Tsam為采樣周期，其第k拍輸出為Isame(i)Ke(k)u(k)Isame(k)u(k1)教案k

12、u(k)Ke(k)KTPPIi1Ke(k)KTPI上式為位置式算法：比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。增量式PI調(diào)節(jié)器算法：u(k)u(k)u(k1)Ke(k)e(k1)KTPIsamu(k)u(k1)u(k)e(k)增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出的偏差量。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序框圖，圖3-17。數(shù)字PI調(diào)節(jié)計(jì)算偏差e(k)u(k)KTe(k)u(k1)IIsamIABCu(k)uu(k)Ke(k)u(k)ImaxPIYu(k)u?Imaxmaxu(k)u?u(k)u?maxYNu(k)uYNmaxYu(k)uImaxu(k)u?u(k)uImaxmaxNABCN結(jié)束學(xué)習(xí)必備歡迎下載3.4.2改進(jìn)的數(shù)字PI算法微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力，充分應(yīng)用這些能力，可以衍生出多種改進(jìn)的P