数字位置随动系统设计

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1、成绩计算机控制系统课程设计说明书数字位置随动控制系统设计DESIGNOFDIGITALPOSITIONSERVOCONTROLSYSTEM学生姓名凌立章学院名称信电工程学院学号20130503243班级13自动化专业名称电气工程及其自动化指导老师曹言敬2016年6月10日徐州工程学院课程设计说明书目录1绪论11.1课题研究背景11.2控制系统设计题目11.3控制系统设计要求22总体控制方案设计32.1控制系统方框图32.2控制系统工作原理32.3不同控制方案的对比32.3.1PLC控制系统32.3.2单片机控制系统52.4总体控制方案53控制

2、系统模型建立53.1直流电机模型63.2控制系统动态结构图64硬件选型64.1位置传感器选型74.2直流电机选型74.3驱动电路选型84.4微控制器选型94.5A/D转换器选型95硬件电路设计95.1时钟电路125.2复位电路125.3按键电路126控制系统软件设计126.1PID控制器设计146.1.1PID控制的基本原理146.1.2位置式PID控制算法与增量式PID算法156.1.3数字PID参数的整定方法156.2控制系统软件流程图167基于Matlab的控制系统算法仿真177.1M语言编程仿真177.2仿真结果分析17徐州工程学院课

3、程设计说明书结论18参考文献20附录21徐州工程学院课程设计说明书1绪论1.1课题研究背景随动系统最早出现于20世纪初。随动系统能够根据外界输入的控制量的变化，实时输出控制量以驱动执行设备精确复现这种变化，它伴随着控制器件、执行机构和功率驱动装置的产生而逐渐发展起来。到了20世纪中期，先进控制理论的成熟，使得随动系统的发展更是突飞猛进，广泛应用于工业、医疗、交通、宇航以及军事设备中。在工业特别是机械制造业，随动系统在机床的速度控制、位置控制中扮演了关键的角色，使得制造机构能够完成复杂的空间曲线运动，极大地推动工业自动化制造水平向更精密的方向发

4、展；在交通行业，飞机的平衡飞行、地铁的自动调速、电梯的启停升降，均有随动系统的贡献；在宇航方面，无论是人造卫星的姿态调整、对接技术，还是月球车在自主状态下各种动作的执行，都展现了随动控制技术的作用；在军事领域，随动系统的控制使得雷达或导弹能实时跟踪目标，确保机载或舰载系统的稳定。总之，随动系统的广泛应用使其在当今社会多个领域中占据越来越重要的地位，在促进行业进步的同时，其自身也在不断发展更新。位置随动控制系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执行机构电力电子功率变换装置实现对电机的控制，来达到位置随动控制的目的。其中控制器可以

5、说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。有些位置随动控制系统的控制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算法，单靠硬件电路来实现系统控制相对比较困难。随着微电子技术的迅猛发展，研发出各种高性能数字信号处理器，其运算能力强而且具有丰富的外部接口。将数字信号处理器应用在位置随动控制系统，构成数字位置随动控制系统，该系统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂的传动控制算法，通过外部接口实现与电力电子功率变换装置的连接，最终实现对电机的控制，这样既可以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积。近几年基于数字信号处理芯片开发

6、的位置伺服系统成为研究的热点，并且很多芯片厂家还开发一些电机专用控制芯片，并在芯片内部集成了PWM发生单元等，简化了与电力电子功率变换装置间的连接，而且具有强大的处理功能可以完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如果采用这些电机专用控制芯片来完成系统设计，即可以节省了开发周期，又简化了系统的硬件结构。1.2控制系统设计题目控制系统功能要求：利用单片机实现全数字位置随动系统，由键盘输入PID参数及给定值。利用功能键实现点动和自动以及复位。直流电动机实现可逆运行，并由位置传感器（如光电码盘等）检测转角信号，经频压转换电路实现位置检测。控制

7、器参数可以用Simulink21徐州工程学院课程设计说明书仿真确定，但为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，设计中可采用积分分离式PID控制算法（也可自行选择）。全数字位置随动系统示意如图1-1。手柄角度盘直流电机位置给定位置反馈驱动电路A/D转换单片机电源键盘输入图1-1全数字位置随动系统示意图1.3控制系统设计要求(1)定位精度<0.4º；(2)定位过程超调量<10%；(3)输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间<250ms。21徐州工程学院课程设计说明书2总体控制方案设计2.1控制系统方框图该控制系统由角度盘，直流电机，微

8、控制器，位置传感器、A/D转换器以及驱动电路等组成，见图2-1。图2-1控制系统方框图2.2控制系统工作原理用手柄转动角度盘一定的角度后停止，由位置传感器检测到数据