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正文內(nèi)容

基于dsp直流電機(jī)調(diào)速畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-12-18 15:33 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 111 ???? ??????? iiiDiIiipii eeeTTeTTeeKuu 式 5 式 4稱為增量型 PID控制算式;式 5稱為遞推型 PID 控制算式; 增量型控制算式具有以下優(yōu)點(diǎn): (a)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量,即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分,因而誤動(dòng)作影響小; (b)在 i 時(shí)刻的輸出 iu ,只需用到此時(shí)刻的偏差,以及前一時(shí)刻,前兩時(shí)刻的偏差 1?ie 、 2?ie ,和前一次的輸出值 1?iu ,這大大節(jié)約了內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間; (c)在進(jìn)行手動(dòng) — 自動(dòng)切換時(shí),控制量沖擊小,能夠較平滑地過渡。 控制過程的計(jì)算機(jī)要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,用微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器時(shí),由于字長和運(yùn)算速度的限制,必須采用必要的方法來加快計(jì)算速度。下面介紹簡化算式的方法。 按照式 5表示的遞推型 PID 算式 ,計(jì)算機(jī)每輸出一次 iu ,要作四次加法,兩次減法,四次乘法和兩次除法。若將該式稍加合并整理寫成如下形式: 211 )21()1( ??? ??????? iDpiDpiDIpii eTTKeTTKeTTTTKuu 221101 ??? ???? iiii eaeaeau 式 6 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 式中系數(shù) 0a 、 1a 、 2a 可以離散算出,從而加快了算法程序的運(yùn)算速度。 按式 6編制的數(shù)字控制器的程序框圖如下圖 所示: 圖 數(shù)字控制器的程序框圖 數(shù)字 PID控制器的參數(shù)整定 在實(shí)際控制系統(tǒng)中,控制算式一旦確定,比例、積分和微分參數(shù)的整定就成為重要的工作??刂菩Ч暮脡脑诤艽蟪潭壬先Q于這些參數(shù)選擇得是否得當(dāng)。關(guān)于 PID 控制參數(shù)整定方法有很多。通常首先要對(duì)工業(yè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性作某種簡 單假設(shè)。因此,由這些整定方法得到的參數(shù)值在使用時(shí)不一定是最佳的,往往只作為參考值。在實(shí)時(shí)控制中,還要在這些值附近探索,找出實(shí)用中有效的最佳值。下面介紹 PID 參數(shù)的工程整定法中常用的湊試法: 湊試法是通過模擬或?qū)嶋H的閉環(huán)運(yùn)行情況、觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響,反復(fù)湊試參數(shù),以達(dá)到滿意的響應(yīng),從而確定 PID 控制器中的三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)。在湊試時(shí),對(duì)參數(shù)的調(diào)整步驟為先比例,后積分,再微分的整定步驟,即: ( 1)先整定比例部分:將比例系數(shù) pK 由小調(diào)大,并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì),直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi),同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意,那么只須用比例調(diào)節(jié)器即可,最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 ( 2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求,則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)一般先置 — 個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù) IT ,同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù) pK 縮小一些(比如取原來的 80%),然后減小積分時(shí)間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ) 上,系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中,可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)反復(fù)地改變比例系數(shù) pK 和積分時(shí)間系數(shù) IT 從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。 ( 3)如果使用比例積分控制器消除了偏差,但動(dòng)態(tài)過程仍不盡滿意,則可以加入微分環(huán)節(jié),構(gòu)成 PID 控制器。在整定時(shí),可先置微分時(shí)間系數(shù) DT 為零,在第二步整定的基礎(chǔ)上,增大微分時(shí)間系數(shù) DT ,同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù) pK 和積分時(shí)間系數(shù) IT ,逐步湊試,以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 值得一提的是, PID 三個(gè)參數(shù)可以互相補(bǔ)償,即某一個(gè)參數(shù)的減小可由其他參數(shù)增大或減小來補(bǔ)償。因此用不同的整定參數(shù)完全可以得到相同的控制效果,這也決定了 PID 控制器參數(shù)選取的非唯一性。另外,對(duì)無自平衡能力的對(duì)象,則不應(yīng)包含積分環(huán)節(jié),即只可用比例或比例微分控制器。在實(shí)時(shí)控制過程中,只要被控對(duì)象的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,就可以選定相應(yīng)的控制器參數(shù)為最終參數(shù) 。 目前,工程上仍廣泛使用實(shí)驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)方法來整定 PID 的調(diào)整參數(shù),稱為PID 參數(shù)的工程整定方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于整定參數(shù)不必依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。簡易工程整定法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的,雖然粗糙一點(diǎn),但是簡單易行,適于現(xiàn)場的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。如擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。 PID 控制算法的改進(jìn) 任何一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都存在一個(gè)線性工作區(qū)。在此線性區(qū)內(nèi),它可以線性地跟蹤控制信號(hào),而當(dāng)控制信號(hào)過大,超過這個(gè)線性區(qū),就進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū),其特性將變成非線性特性。同時(shí),執(zhí)行機(jī)構(gòu)還存在著一 定的阻尼和慣性,對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)速度受到了限制。因此,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性也存在一個(gè)線性工作區(qū)??刂菩盘?hào)的變化率過大也會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)。前述標(biāo)準(zhǔn) PID位置式算法中積分項(xiàng)控制作用過大將出現(xiàn)積分飽和,增量式算法中微分項(xiàng)和比例項(xiàng)控制作用過大將出現(xiàn)微分飽和,都會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū),從而使系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)和持續(xù)振蕩,動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞。為了克服以上兩種飽和現(xiàn)象,避免系統(tǒng)的過大超調(diào),使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo),必須使 PID 控制器輸出的控制信號(hào)受到約束,即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 PID 控制算法進(jìn)行改進(jìn),并主要是對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的改進(jìn) 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 ( 1)飽和作用的抑制 無論采用何種計(jì)算方法,其控制輸出從數(shù)學(xué)上講可在 )( ????, 范圍內(nèi)取值,但物理執(zhí)行元件的機(jī)械和物理性能是有約束的,即輸入 )(tu 的取值是在有限范圍內(nèi),表示為 maxmin uuu ?? ,同時(shí)其變化率也受限制,表示為 maxuu ?? ? 。 控制系統(tǒng)在開工、停工或者大幅度提降給定位等情況下,系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差,這種較大偏差,不可能在短時(shí)間內(nèi)消除,經(jīng)過積 分項(xiàng)累積后,可能會(huì)使控制量 )(ku 很大,甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限 maxu 。另外,當(dāng)負(fù)誤差的絕對(duì)值較大時(shí),也會(huì)出現(xiàn) minuu? 的另一種極端情況。顯然,當(dāng)控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限時(shí),控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想,從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時(shí)容易發(fā)生,而且在起動(dòng)時(shí)特別明顯,故稱“起動(dòng)效應(yīng)”。 為了克服積分飽和作用,已有許多有效的修正算法,較常用的有“積分分離法”。 ( 2)干擾的抑制 PID 控制算法的輸入量是誤差 e 。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)后,由于輸出 y 已接近輸入 u , e 的值不會(huì)太大。所以相對(duì)而言,干擾值的引入對(duì)調(diào)節(jié)有較大的影響。對(duì)于干擾,除了采用抗干擾措施,進(jìn)行硬件和軟件濾波之外,還可以通過對(duì) PID控制算法進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)一步克服干擾的影 響。如“四點(diǎn)中心差分法”、“不完全微分 PID 算法”等等。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 第 二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì)思想 本實(shí)驗(yàn)通過霍爾片的輸出端 HROUT 接入 DSP 的外部中斷 1 來檢測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,與程序中的給定量相比較,通過 PID 調(diào)節(jié)輸出一路 PWM 波作為反饋輸出到直流電機(jī)的 MOT端,從而控制直流 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。硬件接線原理圖如圖 圖 硬件接線原理圖 基本硬件組成 圖 系統(tǒng)功能框圖 直流電動(dòng)機(jī)單元: 該單元由電壓調(diào)整、驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)反饋電路組成。由系統(tǒng)板送來的電 D/A 模塊 CPU 直流電機(jī)模塊 電源模塊 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 壓信號(hào)與可調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓經(jīng)加法運(yùn)算后,輸 出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行;速度檢測(cè)、反饋電路由于電機(jī)同軸轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上的強(qiáng)力磁鋼、霍爾磁感應(yīng)放大器、單周期速度信號(hào)采集器組成,當(dāng)與電機(jī)同軸運(yùn)行的轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾片正對(duì)時(shí),霍爾片輸出負(fù)電壓,經(jīng)整形、放大,供系統(tǒng)采集。 D/A 轉(zhuǎn)換單元: 數(shù)模轉(zhuǎn)換采用 DAC08 芯片,分辨率 8 位,精度 1LSB,轉(zhuǎn)換時(shí)間 85ns。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中, DAC08 采用對(duì)稱偏移二進(jìn)制輸出方式,輸出電壓范圍 5V— +5V。底板 DAC08 參考電壓 Vref=+5V;輸入 00h,輸出電壓 5V;輸入 ffh,輸出電壓+5V。 D/A 單元原理框圖如圖 。 CPU單元: 由于 CPU與 D/A 單
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