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(jī)： 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(wú)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： 專(zhuān) 業(yè)： 鐵道信號(hào) 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)2012年12月18日課程設(shè)計(jì)題目最少拍無(wú)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(jiǎn)介 .4 1.1課程設(shè)計(jì)目的.41.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容.42最小拍無(wú)紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì).5 2.1設(shè)計(jì)原理.5 2.2算法實(shí)現(xiàn).6 2.2.1單位階躍輸入.6 2.2.2單位速度信號(hào).73最小拍無(wú)紋波控制軟件編程設(shè)計(jì).8 3.1運(yùn)用simulink進(jìn)行仿真.8 3.1.1單位階躍信號(hào).8 3.1.2單位速度信號(hào)

2、.9 3.2matlab程序仿真.9 3.2.1 單位階躍信號(hào).9 3.2.2 單位速度信號(hào).104無(wú)波紋與有波紋的比較.11 4.1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(wú)紋波控制系統(tǒng)對(duì)典型輸入的適應(yīng)性問(wèn)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(xiě)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(xiě)作李龑負(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(mén)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(guò)程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知

3、識(shí)融合。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)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(guò)對(duì)最少拍無(wú)紋波控制器的設(shè)計(jì)及仿真了解和掌握了最少拍無(wú)紋波設(shè)計(jì)及有紋波設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)學(xué)習(xí)和搜集相關(guān)書(shū)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(wú)紋波控制器，并采用simulink進(jìn)行了仿真，同時(shí)又通過(guò)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，比較了有紋波和無(wú)

4、紋波控制器的區(qū)別，最終得出結(jié)論：最少拍無(wú)紋波調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，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(guò)選擇不同的輸入信號(hào)對(duì)同一個(gè)最少拍無(wú)紋波控制器進(jìn)行仿真，研究了最少拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)對(duì)典型輸入的適應(yīng)性問(wèn)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(wú)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(wú)紋波 matlab1 課題簡(jiǎn)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(duì)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

5、掌握最少拍無(wú)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(wú)紋波控制系統(tǒng)對(duì)典型輸入的適應(yīng)性。5）編寫(xiě)算法matlab/simulink仿真程序?qū)崿F(xiàn)（模擬步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給過(guò)程）； 6）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。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 其中對(duì)象零階保持器 選擇采樣周期t=1s，試設(shè)計(jì)無(wú)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(wú)紋波有限拍控制器2. 在simulink仿真環(huán)境畫(huà)出仿真框圖及得出仿真結(jié)果，畫(huà)出數(shù)字控制器和系統(tǒng)輸出波形。3. 與

6、有紋波系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析（選用單位速度輸入進(jìn)行對(duì)比分析即可）4. 探討最少拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)對(duì)典型輸入的適應(yīng)性問(wèn)題2 最小拍無(wú)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：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(méi)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)的即有這里f(z)是關(guān)于的待定系數(shù)多項(xiàng)式。顯然，為了使能夠?qū)崿F(xiàn)，f(z)首項(xiàng)應(yīng)為1，即因此最少拍控制器d(z)為圖2 控制原理圖最小拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)要求在非采樣時(shí)間的時(shí)候也沒(méi)有偏差，因此必須滿(mǎn)足：對(duì)階躍輸入，當(dāng)tnt時(shí)，有y(t)=常數(shù)。對(duì)速度輸入，當(dāng)tnt時(shí)，有y&#

7、39;(t)=常數(shù)。對(duì)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(wú)紋波控制器時(shí)，對(duì)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(duì)加速度輸入函數(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)紋波控制器，則gc(s)中必須至少有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。最小拍控制的廣義對(duì)象含有d個(gè)采樣周期的純滯后所以其中。要使控制信號(hào)u(k)在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中為常數(shù)或0，那么只能是關(guān)于的有限多項(xiàng)式。因此 w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))。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

8、廣義被控對(duì)象為g(s) 通過(guò)matlab，z變換程序?yàn)閚p=0 0 2;dp=1 3 2;hs=tf(np,dp);hz=c2d(hs,1) transfer function: 0.3996 z + 0.147-z2 - 0.5032 z + 0.04979sampling time: 1即（2）無(wú)波紋最小拍控制器d(z)因g(z)有因子，零點(diǎn)z=-0.368，極點(diǎn)。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)應(yīng)選為包含因子和g(z)全部零點(diǎn)，所以：應(yīng)由輸入形式、的不穩(wěn)定極點(diǎn)和的階次三者來(lái)決定。所以選擇：因=1-，將上述所得的和的值代入后，可得所以解得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(wú)波紋設(shè)計(jì)的數(shù)

9、字控制器d(z)，改為按單位速度輸入時(shí)：由得展開(kāi)對(duì)應(yīng)系數(shù)相等，得：=0.3413 ，=1.6587，=-0.9274。速度傳遞函數(shù)為：3 最小拍無(wú)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3.1.2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=0 0 2;dp=1 3 2;hs=t

10、f(np,dp);hz=c2d(hs,1);num=1.83 -0.9208 0.0912;den=1 -0.731 -0.269;dz=tf(num,den,-1);sys1=dz*hz;sys2=feedback(sys1,1);step(sys2,20);圖7 單位階躍程序仿真結(jié)果3.2.2 單位速度信號(hào)np=0 0 2;dp=1 3 2;hs=tf(np,dp);hz=c2d(hs,1);num= 4.151 -4.4096 1.3748 -0.1157;den=1 -1.6587 0.317 0.3413;dz=tf(num,den,-1);sys1=dz*hz;sys2=feedb

11、ack(sys1,1);step(sys2,20);圖8 單位速度程序仿真結(jié)果4無(wú)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(wú)波紋的情況，下面對(duì)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)和誤差的脈沖傳遞函數(shù),并且。其中q=1、2、3取決于輸入信號(hào)的類(lèi)型。此時(shí)：q=2,由得檢驗(yàn)誤差：從e(z)可以看出來(lái)，單位速度信號(hào)輸入系統(tǒng)，當(dāng)之后，即兩拍之后，誤差，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=0 0 2;dp=1 3 2;hs=tf(

12、np,dp);hz=c2d(hs,1);num=2 -2.0064 0.6029 -0.0498;den=1 -1.632 0.264 0.368;dz=tf(num,den,-1)/0.3996;sys1=dz*hz;sys2=feedback(sys1,1);step(sys2,20);圖10 有波紋程序仿真結(jié)果4.2比較結(jié)果分析通過(guò)比較，在設(shè)計(jì)過(guò)程上，最少拍無(wú)紋波的設(shè)計(jì)要求的零點(diǎn)包含的全部零點(diǎn)，這就是最少拍有紋波與最少拍無(wú)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(wú)紋波在第三拍才開(kāi)始跟隨輸入信號(hào)，且之后不存在誤差

13、。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(wú)紋波調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，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(wú)紋波控制系統(tǒng)對(duì)典型輸入的適應(yīng)性問(wèn)題首先，我們利用單位階躍輸入時(shí)的無(wú)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(wú)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(wú)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)，如圖12（c）

14、所示。但根據(jù)單位階躍信號(hào)設(shè)計(jì)的最少拍無(wú)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(wú)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(wú)紋波控制器無(wú)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(wú)紋波控制器對(duì)低階信號(hào)輸入情況具有兼容性，但對(duì)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(jué)收獲很多，首先是團(tuán)隊(duì)合作，其次是專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)。 一起合作我們感覺(jué)很愉快，前期資料的查找，中期的編程和仿真，后期寫(xiě)作的整理我們既分工合作又相互幫助，遇到不懂的問(wèn)題我們一起討論，找學(xué)長(zhǎng)。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(wú)紋波及有紋波控制器設(shè)計(jì)，matlab，simulink等知識(shí)。經(jīng)過(guò)親手操作實(shí)踐，我們將課本所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，強(qiáng)化了我們的學(xué)習(xí)鏈，豐富了我們的學(xué)習(xí)生活。經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，讓我們對(duì)計(jì)算機(jī)控