计控课设——夏雨_计算机硬件及网络_it计算机_专业资料

计控课设——夏雨_计算机硬件及网络_it计算机_专业资料 最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真 实现 THE DESIGN AND SIMULATION OF THE COMPUTER CONTROL SYSTEM FOR THE LEAST BEAT RIPPLE FREE 学生姓名 夏雨 学 号 20120502142 学院名称 信电学院 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 代月明、曹言敬 2015年 7月 10日 徐州工程学院课程设计(论文) 课程设计任务书 课程 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现 课程设计目的: 1(学习并掌握有纹波最少拍控制器的设计和Simulink实现方法; 2(研究最少拍控制系统对典型输入的适应性及输出采样点间的纹波; 3(学习并掌握最少拍无纹波控制器的设计和Simulink实现方法; 4(研究输出采样点间的纹波消除方法以及最少拍无纹波控制系统对典 型输入的适应性; 5(编写算法MATLAB/Simulink仿真程序实现。 课程设计内容: 以一个具体实例介绍最少拍系统的设计和Simulink仿真。 -1所示。 离散控制系统结构图如图1 图1-1离散控制系统结构图 2G(s), 式(1.1) 0(s，1)(s，2) H(s)G(s)其中，为数字控制器的脉冲传递函数,为零阶保持器,为被D(s)00控对象的传递函数，为系统输入,为系统输出。 r(t)C(t) 选择采样周期 T=1s，试设计无纹波最少拍控制器，并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仿真结果。 课程设计要求: 1.分别在单位阶跃/单位速度输入下设计无纹波有限拍控制器; 2.在 Simulink 仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制器和系统输出波形; 3.与有纹波系统进行对比分析; 4.探讨最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题; 徐州工程学院课程设计(论文) 5.得出仿真结果并进行仿真分析; 6.程序清单及简要 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ; 7.写设计说明书。 课程设计进度安排: 设计周期两周。安排在17周、18周两周。 15 周:确定设计任务;翻阅资料了解课程要求和内容;拟定总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 16周:根据要求使用软件画出仿真图和波形图;分析并总结实验现象和图形内容;写课程设计 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 和答辩。 徐州工程学院课程设计(论文) 摘要 最少拍系统设计是一采样点上误差为零或保持恒定为基础的，采用Z变换方法进行设计并不保证采样点之间的误差也为0或保持恒定值，因此在采样点之间可能存在波纹 ，即在采样点之间有误差存在，这就是有波纹设计。而无波纹设计是指在典型输入信号的作用下，经过有限拍系统达到稳定，并且在采样点之间没有波纹，输入误差为0。 在数字随动系统中，通常要求系统输出能够尽快地、准确地跟踪给定值变化，最少拍控制就是适应这种要求的一种直接离散化设计法。所谓最少拍控制就是要求设计的数字调节器能使闭环系统在典型输入作用下，经过最少拍达到输出无静差。显然这种系统对闭环脉冲函数的性能要求是快速性和准确性。实质上最少拍控制是时间最优控制，系统的性能指标是调节时间最短(或尽可能的短)。 本文是在单位阶跃和单位速度典型输入下对最少拍无波纹控制进行研究，并且在Simulink仿真环境中得到仿真框图、仿真结果及数字控制器和系统的输出波形。并且，在单位速度输入时进行最少拍有波纹和无波纹的对比分析。本文还探讨了最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题。最后对在Simulink仿真中得到的仿真结果进行分析，完成最少拍无纹波计算机控制系统的设计及仿真实现。 关键词:最少拍 无波纹 Z变换 徐州工程学院课程设计(论文) 目 录 1 引言..............................................................1 2 设计目的与要求....................................................2 2.1 设计目的......................................................2 2.2 设计要求......................................................2 3 设计准备与过程....................................................3 3.1 设计准备......................................................3 3.2 设计过程......................................................4 3.2.1 输入为单位阶跃信号(无纹波)..............................4 3.2.2 输入为单位速度信号(无纹波)..............................7 3.2.3 输入为单位速度信号(有纹波)..............................10 4 设计分析与总结...................................................13 4.1 有纹波与无纹波对比分析.......................................13 4.2 最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题...................14 5 心得体会.........................................................17 6 参考文献.........................................................18 徐州工程学院课程设计(论文) 1引言 计算机控制技术是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节就占有更加重要的地位。 本次课程设计通过对最少拍无纹波控制器的设计及仿真了解和掌握了最少拍无纹波设计和有纹波设计。 首先，通过学习和搜集资料了解和掌握了最少拍控制器的设计原理，设计了最少拍无纹波控制器，通过MATLAB程序验证了正确性。最少拍系统设计是以采样点上误差为零或保持恒定为基础，采用Z变换方法进行设计并保证采样点之间的误差也为零或保持恒定值，因此在采样点之间可能存在波纹，即在采样点之间有误差存在，这就是有波纹设计。而无波纹设计是指在典型输入信号的作用下，经过有限拍系统达到稳定，并且在采样点之间没有波纹，输入误差为零。即要求采样点之间产生的波纹不能反映在采样点信号上，也就是对采样点之间的信号，不能形成闭环控制。要得到无波纹系统设计，其闭环Z传递函数φ(z)必须包含被控制对象G(z)的所有零点。设计的控制器D(Z)中消除了引起纹波振荡的所有极点，采样点之间的波纹也就消除了。系统的闭环Z传递函数φ(z)中的的幂次增高，系统的调整时间ts就增长。本文以实例来介绍最少拍无波纹控制的实现方法。 1 徐州工程学院课程设计(论文) 2 设计目的与要求 2.1 设计目的 1.分别在单位阶跃/单位速度输入下设计无纹波有限拍控制器; 2.在 Simulink 仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制器 和系统输出波形; 3.与有纹波系统进行对比分析(选用单位速度输入进行对比分析即可); 4.探讨最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题; 5.得出仿真结果并进行仿真分析。 2.2 设计要求 (1)准确性要求。系统对某种典型输入,在采样点上无稳态误差,对特定的参考输入信号在到达稳态后系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号即采样点上的输出不存在稳态误差。 (2)快速性要求。闭环系统过渡过程最短,即最少采样点数内使采样点上稳态误差趋于零。即在各种使系统在有限拍内到达稳态的没计中系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。 (3)稳定性要求。系统输出在采样点上不发散、不振荡,且采样点之间也不能发散,当广义对象G(z)含单位圆上或圆外零点或极点时,前面两步设计出的D(z)不能保证稳定性要求。数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。在采样点上的输出不存在稳态误差，但在采样点间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系统。 2 徐州工程学院课程设计(论文) 3 设计准备与过程 3.1 设计准备 要得到最少拍无纹波系统设计，其闭环z传递函数Gc(z)必须包含被控对象HG(z)的所有零点。 设计的控制器D(z)中消除了引起纹波振荡的所有极点，采样点之间的纹波也就消除了。 已经对象的传递函数为: 2 式(3.1) G(s),(s，1)(s，2) 零阶保持器的函数为: ,Ts1,,(),0Hs 式(3.2) s 采样周期T=0.1s ，系统控制原理框图3-1如下: (z)Gc HG(z) Y(z) T TH(s) D(z)G(s)0 TTU(z)R(s)E(z)y(s) — 图3-1 系统控制原理框图 系统广义对象的脉冲传递函数为: ,,1,1Ts1,20.3996z(1，0.368z),HG(z),Z[], 式(3.3) ,1,1s(s，1)(s，2)(1,z)(1，0.2692z) 3 徐州工程学院课程设计(论文) 3.2 设计过程 3.2.1 输入为单位阶跃信号(无纹波) ,1由式(2.3)可知，式中包含有因子，一个圆内零点和zHG(z)(z,,0.718) 单位圆上极点。 ,1要达到无纹波，闭环脉冲传递函数应包含因子和的全部零zG(z)HG(z)c 点。所以 ,1,1 式(3.4) G(z),az(1，0.368z)c 应由输入形式、的不稳定极点和的阶次决定。故可得 G(z)G(z)HG(z)ec ,1,1 式(3.5) G(z),(1,z)(1，bz)e 利用，可求得a=0.73,b=0.27,则 G(z),1,G(z)ce ,1,2G(z)1.83,0.92z，0.091zc D(z),, 式(3.6) ,1,2HG(z)G(z)1,0.93z,0.27ze 下面由MATLB来实现该系统: 由Simulink画系统的实现框图如图3-2: 图3-2 单位阶跃信号输入下系统的程序框图 4 徐州工程学院课程设计(论文) 系统的输出波形如图3-3所示: 图3-3单位阶跃信号输入下系统的输出波形 控制器的输出波形如图3-4所示: 图3-4单位阶跃信号输入下控制器的输出波形 5 徐州工程学院课程设计(论文) 误差的波形如图3-5所示: 图3-5单位阶跃信号输入下系统误差的波形 由上面三个图，我们可以清楚的看出，系统经过两拍后(t=2s=2T)，其输出相应曲线无波纹地跟随输入信号，系统调节时间为2T。 6 徐州工程学院课程设计(论文) 3.2.2 输入为单位速度信号(无纹波) ,1由式(3.3)可知，式中包含有因子，一个圆内零点和zHG(z)(z,,0.718) 单位圆上极点。 ,1要达到无纹波，闭环脉冲传递函数应包含因子和的全部零zG(z)HG(z)c 点。所以 ,1,1,1G(z),z(1，0.368z)(a，bz) 式(3.7) c 应由输入形式、的不稳定极点和的阶次决定。故可得 G(z)G(z)HG(z)ec ,12,1 式(3.8) G(z),(1,z)(1，cz)e 利用，可求得a=1.6587,b=0.0.9274,c=0.3413，则 G(z),1,G(z)ce ,1,2,3,41.6587z,1.7612z,0.5493z,0.0462zD(z), 式(3.9) ,1,2,3,40.3996z,0.6628z，0.1268z，0.147z 下面由MATLB来实现该系统: 由Simulink画系统的实现框图如图3-6: 图 3-6单位速度信号输入下系统的程序框图 7 徐州工程学院课程设计(论文) 系统输出波形如图3-7所示: 图3-7单位速度信号输入下系统的输出波形 控制器的输出波形如图3-8所示: 图3-8单位速度信号输入下控制器的输出波形 8 徐州工程学院课程设计(论文) 误差的输出波形如图3-9所示: 图3-9单位速度信号输入下系统误差的输出波形 由上面三个图，我们可以清楚的看出，系统经过两拍后(t=3s=3T)，其输出相应曲线无波纹地跟随输入信号，系统调节时间为3T。 9 徐州工程学院课程设计(论文) 3.2.3 输入为单位速度信号(有纹波) 系统的广义脉冲传递函数仍为: ,,1,1Ts1,20.3996z(1，0.368z),HG(z),Z[], 式(3.10) ,1,1s(s，1)(s，2)(1,z)(1，0.2692z)输入单位速度，为满足准确性条件，根据书上P145，有 ,12 式(3.11) G(z),1,G(z),(1,z)ec ,1,12 式(3.12) G(z),2z,(z)c 所以 ,1,2,3G(z)2,2.006z，0.6028z,0.04979zcD(z),, 式(3.13) ,1,2,3HG(z)G(z)0.3996,0.6552z，0.1056z，0.147ze 下面由MATLB来实现该系统: 由Simulink画系统的实现框图如图3-10所示: 图3-10单位速度信号输入下系统的程序框图 10 徐州工程学院课程设计(论文) 系统的输出的波形如图3-11所示: 图 3-11单位速度信号输入下系统的输出波形 控制器的输出波形如图所示3-12所示: 图3-12单位速度信号输入下控制器的输出波形 11 徐州工程学院课程设计(论文) 误差的输出波形如图3-13所示: 图3-13单位速度信号输入下系统的误差输出波形 由上面三个图分析可知，大约在两拍(t=2T)系统的采样值达到稳定，但其采样点之间却存在波纹。 12 徐州工程学院课程设计(论文) 4 设计分析与总结 4.1 有纹波与无纹波对比分析 下面由MATLB来实现该系统: 由Simulink画系统的实现框图如图3-1所示: 图4-1单位速度信号输入下系统的程序框图 有纹波与无纹波的波形输出对比如图4-2所示: 图4-2单位速度信号输入下输出波形图对比 13 徐州工程学院课程设计(论文) 根据有纹波与无纹波对比分析可知: (1)最少拍无纹波设计，要求Gc(z)的零点包含HG(z)的全部零点。这就是最少拍无纹波设计与最小拍有纹波设计惟一不同之处。 (2)对比输入都为单位速度信号的最少拍有波纹和最少拍无波纹可知，对于最少拍无波纹控制器，其输出响应曲线是跟随输入信号的，采样点之间没有波 -1纹，但系统的闭环z传递函数Gc(z)中的z的幂次增高，系统的调整时间ts增长了。 (3)而对于有波纹的控制器，其调整时间虽然短，但其输出值跟随输入后在非采样时刻存在波纹。原因在于数字控制器的输出序列u(KT)经若干拍数后，不为常数或零，而是振荡收敛的。 非采样时刻的波纹现象不仅造成系统在非采样时刻有偏差，而且浪费执行机构的功率，增加了机械磨损，而最少拍无波纹就是在此基础上提出来的消除采样点间波纹的方法。 4.2 最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题 单位阶跃输入信号下无纹波控制系统输入输出对比。 单位阶跃输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图如图4-3所示。 图4-3 单位阶跃输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图 14 徐州工程学院课程设计(论文) 单位阶跃输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图如图4-4所示。 图4-4 单位阶跃输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图 单位速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图如图4-5所示。 图4-5 单位速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图 单位速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图如图4-6所示。 图4-6 单位速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图 15 徐州工程学院课程设计(论文) 单位加速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图如图4-7所示。 图4-7 单位加速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比仿真图 单位速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图如图4-8所示。 图4-8 单位加速度输入信号下无纹波控制系统输入输出对比波形图 结果分析: (1)输入信号时单位阶跃时，输出在2拍过后跟随输入。 (2)输入信号为单位速度时，输出不能跟随输入。 (3)输入信号为单位加速度时，输出不能跟随输入。 由上面的结果可知:最少拍系统对输入信号的变化适应性较差。 16 徐州工程学院课程设计(论文) 5心得体会 在本次课程设计中，我们学习了最少拍无纹波及有纹波控制器设计，Matlab，Simulink等知识。经过亲手操作实践，我们将课本所学的知识运用于实践，强化了我们的学习链，丰富了我们的学习生活。经过课程设计，我们对计算机控制这门学科有了更加深刻的认识和理解。提高了我们的学习热情，培养了我们的学习兴趣。 通过这次设计我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃，设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。 本研究及论文是在指导老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 17 徐州工程学院课程设计(论文) 参考文献 [1]于海生.计算机控制技术.北京:机械工业出版社，2007. [2]李元春.计算机控制系统.北京:高等教育出版社，2009. [3]郑学坚、周斌.微型计算机原理与应用.北京:清华大学出版社，2008. [4]王锦标.计算机控制技术.北京:清华大学出版社，2004. [5]张静.MATLAB在控制系统中的应用.电子工业出版社，2007. [6]黄忠霖.自动控制原理的MATLAB实现.北京:国防工业出版社，2007. [7]顾德英、罗云林、马淑华.计算机控制技术.北京:北京邮电大学出版社，2007. 18