【正文】 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 1 1 緒論 國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)狀 隨著各種自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也跟著發(fā)展起來(lái)。最早的運(yùn)動(dòng)控制器不需要其他的處理器及操作系統(tǒng)的支持，它能夠單獨(dú)地完成運(yùn)動(dòng)控制等功能，是 一個(gè)不需要依靠其他控制器而運(yùn)行的控制器。這種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制器之所以成為能夠獨(dú)立運(yùn)行的控制器，是因?yàn)槠渲饕δ芡ǔＲ呀?jīng)根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的要求設(shè)計(jì)了所需要的功能，用戶(hù)只要根據(jù)要求編寫(xiě)所需要的文件，然后傳送給控制器，控制器就可以完成相關(guān)的動(dòng)作。但這類(lèi)控制器依賴(lài)于加工代碼協(xié)議，用戶(hù)不能根據(jù)實(shí)際的要求而重新組合自己的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所以這類(lèi)控制器通常依賴(lài)于它的特定的工藝要求而不能跨行業(yè)應(yīng)用。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，通用型運(yùn)動(dòng)控制器已成為其必不可少的一部分。 美國(guó)政府從 1987 年開(kāi)始研究開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該計(jì)劃在基于開(kāi)放式的結(jié) 構(gòu)控制器基礎(chǔ)上從而規(guī)定了開(kāi)放式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)規(guī)格。美國(guó)好幾個(gè)大學(xué)的研究部門(mén)，從 1996年開(kāi)始，他們對(duì)這一計(jì)劃各自發(fā)表了對(duì)應(yīng)的研究成果，例如美國(guó)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究院為此研制的具有增強(qiáng)功能的機(jī)床控制器；美國(guó)福特、通用和克萊斯勒這三個(gè)汽車(chē)公司研究制定出的具有模塊和開(kāi)放體系的結(jié)構(gòu)控制器，它的主要目的是使制造的系統(tǒng)變得更為柔性和敏捷。 近幾年來(lái)，運(yùn)動(dòng)控制在其技術(shù)領(lǐng)域不斷地發(fā)展和逐步的完善，在工業(yè)自動(dòng)化這個(gè)領(lǐng)域所涉及到的產(chǎn)品中，運(yùn)動(dòng)控制器是個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品，越來(lái)越多的產(chǎn)業(yè)界 開(kāi)始重視并發(fā)展 它 ，并在目前 所在的市場(chǎng) 上 已經(jīng)具有了一定的 規(guī)模。但是在運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)上，國(guó)內(nèi) 仍處于落后位置，固高科技有限公司從二十世紀(jì)末開(kāi)始開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)開(kāi)放型的運(yùn)動(dòng)控制器，緊跟其后，國(guó)內(nèi)的幾家公司都逐步進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，可實(shí)際上，能夠真正自主開(kāi)發(fā)的公司還是比較少的，他們中的大多數(shù)實(shí)際上是把外國(guó)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣。 “八五 ”期間，在國(guó)內(nèi)眾多科學(xué)研究者的不斷地努力下，成功地開(kāi)發(fā)了數(shù)控平臺(tái)和藍(lán)天型、華中型、航天型、中華型等 4 種系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用基于模塊化基礎(chǔ)上的嵌入式的軟、硬件結(jié)構(gòu) 。 在此中間華中型的系統(tǒng)比較有代表性，它采用的結(jié)構(gòu)是工業(yè) PC 機(jī)上插接口卡，在 DOS 操作平臺(tái)上運(yùn)行，具有比較好的層次化、模塊化特點(diǎn)，具有一定的擴(kuò)展和伸縮性。但是要是從總體上來(lái)講，它們?nèi)允菙?shù)控系統(tǒng)，并不是獨(dú)立的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。 由此可見(jiàn)，與科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)在運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用方面還有較大差距。 課題背景和意義 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 2 析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際 、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。 利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有 強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。 通過(guò)空氣浮球運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，我們可以理解并掌握 MATLAB Simulink 仿真和模糊控制算法的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中，仿真技術(shù)和智能算法是其不可或缺的組成部分。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 3 2 系統(tǒng)概述 本控制系統(tǒng)通過(guò)獲得實(shí)際高度與給定高度的高度差、實(shí)際高度和速度三種測(cè)量信號(hào)，在控制器中利用所編寫(xiě)的模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)高度差、實(shí)際高度、速度的判斷，分析 1D Lookup Table 中的數(shù)據(jù)， 根據(jù)規(guī)則庫(kù)的規(guī)定輸出其對(duì)應(yīng)的吹力，通過(guò)九級(jí)限速的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，最終使空氣浮球達(dá)到給定高度使其趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本系統(tǒng)分為六個(gè)任務(wù)組成部分，第一部分是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)空氣浮球進(jìn)行的受力分析，然后建立空氣浮球運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型；第二和第三部分是 Simulink仿真，分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真和閉環(huán)系統(tǒng)仿真，包含了控制器和受控平臺(tái)的仿真設(shè)計(jì)，還有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形驗(yàn)證；為了使系統(tǒng)更貼近現(xiàn)實(shí)，第四和第五部分是 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換；最后是雙線性濾波設(shè)計(jì)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 4 3 空氣浮球運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)分析 與設(shè)計(jì) 空氣浮球 的受力 分析 本系統(tǒng)是將空氣浮球置于管道中，通過(guò)分析得到 空氣浮球在管道中運(yùn)動(dòng)受到風(fēng)扇氣流的吹力、空氣阻力以及自身重力的三個(gè)主要因素的影響（忽略管壁對(duì)浮球產(chǎn)生的摩擦力）。小球向上受力情況見(jiàn) 13圖 所示。 空 氣浮 球Fmgf 則得 mafmgF ??? 的推力?！L(fēng)扇提供給空氣浮球—到的空氣阻力；—空氣浮球在運(yùn)動(dòng)中受——重力加速度；—?jiǎng)拥募铀俣?；—空氣浮球在管道中運(yùn)—；—空氣浮球自身的質(zhì)量—式中Ffgam 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 因?yàn)殡S著高度的增加，風(fēng)扇對(duì)空氣浮球的推力將會(huì)逐漸減弱，主要因素是由于風(fēng)壓的減小，由風(fēng)壓公式 2wi nd21 ?? ???WP 圖 31 空氣浮球向上運(yùn)動(dòng)受力圖 ）式（ ）式（ 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 5 —風(fēng)速?！諝饷芏?；——風(fēng)壓；—式中w in d ??WP 得，吹力公式為 AWPF ?? —空氣浮球的截面積?！街?A 由于風(fēng)速減弱與空氣摩擦力、 管壁摩擦力等眾多因素有關(guān)系，且當(dāng)在管口給定一固定風(fēng)力時(shí)，不同高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)力又難以測(cè)得，則風(fēng)速減弱關(guān)系難以確定，所以在這里我們假設(shè)風(fēng)速與高度成線性關(guān)系，則 realwindwwind HKvv ?? 0 高度。—空氣浮球上升的實(shí)際—數(shù)；—風(fēng)速與高度的比例系——管道口的初始風(fēng)速；—式中r e a lw in dwHKv 0 由 ）式（ 、 ）式（ 和 ）式（ 可得 ? ? AHKAWPF re alw in dw 2021 ???? ?? ?? AFWPv wind 22 ?? 下面根據(jù)實(shí)際硬件實(shí)物進(jìn)行對(duì)風(fēng)速與高度的比例系數(shù) windK 測(cè)定。選用的風(fēng)扇品牌：NMBMAT；型號(hào)： 1611RL04WB85，如 22圖 所示。 該直流電機(jī)銘牌如下： 電壓 V 電流 A 功率 W 轉(zhuǎn)速 RPM 風(fēng)量 CFM 12 9 18000 選擇限額為 g500 ，精確度為 的電子稱(chēng)對(duì)微型風(fēng)扇風(fēng)力進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn) 33圖 。同時(shí)本系統(tǒng)是根據(jù)調(diào)節(jié)電機(jī)占空比 ， 進(jìn)行對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，間接調(diào)節(jié)電機(jī)的風(fēng)力。為了確保測(cè)得的 windK 有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，我們將取三組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。 在測(cè)定過(guò)程中，我們將利用 ）式（ 、 ）式（ 和 ）式（ 進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)在用電子稱(chēng) 表 31 直流風(fēng)扇銘牌參數(shù) ）式（ ）式（ ）式（ ）式（ 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 6 測(cè)定風(fēng)力時(shí)，統(tǒng)一距離電子稱(chēng)約 cm2 ，管道長(zhǎng)度為 cm71 。同時(shí)系統(tǒng)模型參數(shù)見(jiàn) 23表 所示，測(cè)定結(jié)果見(jiàn) 33表 所示。 名稱(chēng) 符號(hào) 大小