【導(dǎo)讀】大大提高，對(duì)防空體系中的伺服系統(tǒng)提出了更高、更新的要求。非常廣闊的應(yīng)用前景，其研究成為熱點(diǎn)。首先，本文闡述了基于DSP的數(shù)。字伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)研究了基于DSP的數(shù)字伺服系統(tǒng)總體結(jié)。采樣控制電路、輸出控制電路及外圍接口電路的具體設(shè)計(jì)。出了基于DSP的數(shù)字伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。DSP芯片中，主要由信號(hào)采集、發(fā)送、.數(shù)據(jù)處理和控制算法部分組成。行了仿真，并得出傳統(tǒng)的PID算法不能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。饋補(bǔ)償復(fù)合控制算法，系統(tǒng)控制精度明顯改善，極大地提高了系統(tǒng)性能。效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

　　

【正文】 F206 在每個(gè)定時(shí)中斷處理程序中都要對(duì)實(shí)際架位進(jìn)行采樣。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是連續(xù)的模擬量信號(hào)，所以對(duì)實(shí)際架位的采樣成為了軸角編碼器對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的采樣編碼。 F206 在讀取實(shí)際架位值時(shí)，需要對(duì)該值進(jìn)行濾波處理 [4l〕。這個(gè)濾波處理在粗精組合前面進(jìn)行，即粗通道和精通道分別濾波，在認(rèn)為 它們的值是真實(shí)可信的之后，再將它們進(jìn)行組合。讀取實(shí)際架位信號(hào)時(shí)的濾波流程如圖 所示 :采取的濾波方法是，通過讀取兩次值，來判斷這兩次值是否相等。如果兩次值相等，那說明這個(gè)值是可信的真實(shí)值 。如果兩次值不等，說明至少有一次沒有讀到真實(shí)值，那么程序?qū)⒅匦略僮x一次，直到兩次值相等。如果讀取的兩次粗通道值和精通道值分別相等了，程序?qū)⑦M(jìn)入粗精組合流程。將粗通道和精通道的值組合成一個(gè) 16 位的值。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 36 本章小結(jié) 本章主要論述了基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)闡述了基于 DSP 的數(shù)字伺服系 統(tǒng)軟件的主程序、中斷服務(wù)程序、子程序，給出了軟件具體流程的實(shí)現(xiàn)方法。目前，該軟件已基本調(diào)試通過，且運(yùn)行正常。 第 5 章 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 良好的硬件設(shè)計(jì)是保證伺服系統(tǒng)能夠獲得高性能的前提，控制算法的好壞直接影響著伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。近年來，人們對(duì)伺服系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了廣泛的研究， .涉及的算法諸如 :PID、前饋控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、內(nèi)?？刂啤⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制以及各種復(fù)合算法。在諸多控制策略中， PID 控制包括各種改進(jìn)、復(fù)合算法是實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的算法。本章將著重闡 述了智能 PID 算法和復(fù)合控制算法的思想，結(jié)合系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出智能 PD 和復(fù)合控制相結(jié)合的控制算法，并就與系統(tǒng)相似的模型進(jìn)行了常規(guī) PID 算法和智能 PID 算法仿真的研究。 常規(guī) PID 控制算法 偏差的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)的綜合控制，簡(jiǎn)稱 PD 控制 [4]。 PID 是從本世紀(jì) 40 年代初期提出的控制方法，經(jīng)過哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 37 逐步的發(fā)展，己經(jīng)形成了一套完整的控制理論與方法。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)由模擬 PD 控制器和被控對(duì)象組成，原理框圖如圖 。 : 其 控制規(guī)律 : 寫成傳遞函數(shù)形式為 : 式 ()， ()所表示的 PID 控制算式是一種連續(xù)形式。在離散化的控制系統(tǒng)中， PID 控制有增量式和位置式，其表示形式如下 : 位置式算法中的每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值 ，當(dāng)誤差較大時(shí)，容易產(chǎn)生較大的積累誤差 。而增量式中由于比例項(xiàng)是最近次誤差的差值，微分項(xiàng)是最近三次誤差之間的關(guān)系，因此計(jì)算出來的控制量相對(duì)較小，減弱了比例和微分控制的作用。若將兩種算法結(jié)合起來，比例和微分項(xiàng)采用位置式，積分項(xiàng)采用增量式，則哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 38 計(jì)算起來比較簡(jiǎn)單， 且可以同時(shí)充分發(fā)揮 P、 I、 D 三種控制的作用。 PID控制中的比例、積分和微分三種控制作用，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了控制器對(duì)于現(xiàn)在、過去和將來誤差信息的依賴程度。從理想的控制策略出發(fā)， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)作用如下 a)比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 b)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti 的大小， Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 c)微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)納變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差倍號(hào)值變 得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)于本系統(tǒng)所提出的高速度、高精度的性能要求，僅采用常規(guī) PID 控制顯然是難以滿足上述要求的。依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，我們用前饋控制加以補(bǔ)償，在跟蹤大速度和大加速度信號(hào) (如正弦波輸入 )時(shí)，可以大大減小系統(tǒng)的速度誤差和加速度誤差。因此，本系統(tǒng)從一開始就確定了智能化的控制方案，即采用智能控制〔‘ 51 的思想改造常規(guī)的PID 控制和復(fù)合控制策略，即在前饋的基礎(chǔ)上，在不同的誤差區(qū)間段采用不同的 k，、氣、 k‘值。 復(fù)合控制 復(fù)合 控制是在誤差控制信號(hào) — 主控制信號(hào)的基礎(chǔ)上，再引入輸入信號(hào)的微分量 — 前饋控制信號(hào)，共同組成系統(tǒng)的控制信號(hào)【 14]。復(fù)合控制的一般原理框圖如圖 所示，由框圖可知 : 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 39 其中，誤差輸入信號(hào) :E(s)=R(s)一 B(s)=R(s)一 e(s)H， (s) 前饋量信號(hào) :F(s)=R(s)H2(s) 若不考慮擾動(dòng)作用，即 N(s)=O，則該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 : 若前饋量傳遞函數(shù) ，則上述系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 : 輸出成為系統(tǒng)的輸入復(fù)現(xiàn)。調(diào)試時(shí)，將智能 PID算法產(chǎn)生的控制量關(guān)閉，只留下前饋量。經(jīng)過反 復(fù)修改所保存的差值個(gè)數(shù)，認(rèn)為 12 個(gè)差值時(shí)產(chǎn)生的控制效果最好，在跟蹤等速信號(hào)時(shí)，只靠前饋量就可使系統(tǒng)偏差進(jìn)入誤差帶，并且抖動(dòng)較小。正弦信號(hào)中既有速度信號(hào)又有加速度信號(hào)，系統(tǒng)在跟蹤時(shí)出現(xiàn)了較大誤差，僅依靠上文中的一次前饋控制量算法還不能滿足正弦的指標(biāo)要求。圖 將正弦曲線和它需要的相應(yīng)的控制量取出，做分析說明。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 40 圖 中直線段近似看作控制量， a 一 b 之間的正弦信號(hào)可近似看作等速運(yùn)動(dòng)，因此控制量恒定，為直線 。b 一 c 之間正弦信號(hào)開始減速到 O，因此控制量也減少到 O。c 一 d 之間正弦信號(hào)開始加 速，控制量也開始增加，依次循環(huán)?！櫿倚盘?hào)的誤差主要出現(xiàn)在 b 一 d 段內(nèi)，正弦信號(hào)減速時(shí)，控制量沒能夠迅速減少，電機(jī)位置超過 c 點(diǎn) 。過了。點(diǎn)后，正弦信號(hào)開始加速，控制量又沒能夠迅速加大，一直落后于正弦信號(hào)分析出原因之后，認(rèn)為只要讓 b 一 c 段的控制量迅速下降， c 一 d 段的控制量迅速增大即可減少跟蹤正弦時(shí)的誤差，這可以借助正弦信號(hào)的加速度特性來實(shí)現(xiàn)。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 41 在 b 一 c 段，正弦信號(hào)的加速度是由小變大的，并在 c 點(diǎn)達(dá)到最大值 。在 c一 d 段，正弦信號(hào)的加速度是由大變小的，并在 d 點(diǎn)達(dá)到最小值 O。為了捕捉到正弦信號(hào)加速度的變化趨勢(shì)， 采用如圖 中所示的方法 :保存最近的 m 次目標(biāo)位置差△。，通過判斷△。的變化趨勢(shì)來得到正弦信號(hào)的加速度變化趨勢(shì)。取兩個(gè)相隔 60 次的△。來取得正弦加速度的趨勢(shì)效果較好，即取 ，將 Acc 放大適當(dāng)倍數(shù)后，加入到控制量中，在跟蹤正弦信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)誤差明顯減小。 智能 PID 控制算法 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 42 采用的智能 PID 控制算法的基本思想是 :根據(jù)誤差的大小進(jìn)行分區(qū)控制，在不同的誤差區(qū)間合理的組合 P、 I、 D 控制參數(shù)及 Bang 一 Bang 的控制律，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾「 42]。針對(duì)該系統(tǒng)，采用如下的智能 PID 控制算法，首先按誤差的大小將誤差分為 4 個(gè)區(qū)，系統(tǒng)的誤差 e。圓圖如圖 ，、整個(gè)誤差帶劃分為四個(gè)區(qū)。圖中的單位為， 。用 為單位是為了計(jì)算上的方便，本文研制的數(shù)字伺服系統(tǒng)是 16 位的。誤差分區(qū)如下 : 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 43 a)I 區(qū)控制律 當(dāng)系統(tǒng)誤差處于 I 區(qū)時(shí)，采用 Bang 一 Bang 控制，即控制計(jì)算機(jī)輸出的控制變量為最大值或最小值 (負(fù)的最大值 )。這種方法可使系統(tǒng)盡快向消除誤差的方向運(yùn)動(dòng)。它既提高了系統(tǒng)的快速性，又避免了積分飽和現(xiàn)象。 控制律為 : b)n 區(qū)控制律 當(dāng)系統(tǒng)誤差處于 n 區(qū)時(shí)，則采用等減速度 的控制策略。采用 PD 控制， k，取值較小，氣取值較大。系統(tǒng)在大調(diào)轉(zhuǎn) (大幅值階躍輸入 )時(shí)，架位差由 Bang 一 Bang 區(qū)進(jìn)入 I 區(qū)時(shí)電機(jī)軸角速度很大。由于負(fù)載慣量大，可能出現(xiàn)大的超調(diào)和振蕩，調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間也較長(zhǎng)，在此區(qū)最為關(guān)鍵的是改造積分作用，通過等減速區(qū)來使系統(tǒng)平滑地向穩(wěn)態(tài)進(jìn)行過渡，從而改善系統(tǒng)以大速度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，減少系統(tǒng)的超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。 控制律為 : c)過渡區(qū)控制律 由于分區(qū)的存在，當(dāng)誤差穿越班區(qū)和 n 區(qū)時(shí) (ll 區(qū)與 I 區(qū)之間沒有這個(gè)現(xiàn)象，剛進(jìn)入 n 區(qū)的控制量也是最力最小控制量 )，由于兩個(gè)區(qū)間的 PD 參數(shù)不同造成輸出控制量的不連續(xù)，引起了機(jī)械的撞擊噪音。 .為了減小這些機(jī)械噪音，可以在系統(tǒng)輸出時(shí)對(duì)控制量輸出作線形平滑，在 m區(qū)和 n 區(qū)之間再加入一個(gè)變參數(shù) PID 區(qū) 3 使 m區(qū)的 PD 參數(shù)平穩(wěn)地向 n 區(qū)的 PID 參數(shù)過渡，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)且噪音很小?？刂坡蔀?: 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 44 d)III 區(qū) III 區(qū)時(shí)，采用 PD 控當(dāng)系統(tǒng)誤差處于 III 區(qū)時(shí)，采用 PD 控制， 較大， 適當(dāng)減小， 取值較小。系統(tǒng)在跟蹤等速、正弦信號(hào)時(shí)，都是工作在 III 區(qū)。較大的 ，能提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和電機(jī)鋼度，能提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性， 能消除穩(wěn)態(tài)誤差。但過大的 和 會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的伺服精度?？刂坡蔀?: 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 45 控制算法流程 控制算法的的流程圖如圖 ，所有的算法的實(shí)現(xiàn)是在定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)中的程序中實(shí)現(xiàn)的。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 46 控制算法仿真 利用常規(guī) PID 控制算法和智能 PID 控制算法分別進(jìn)行 MATLAB[17]進(jìn)行仿真 [16]，在仿真程序 [2l]時(shí)，對(duì)被控對(duì)象采用零階保存器進(jìn)行離散化[4]，則由以上理論，把離散化部分程序 [l8]摘錄如下 : 圖 、圖 、圖 中 (a)為常規(guī) PID 控 制算法作用下被控制對(duì)象輸出和輸入曲線之間的關(guān)系， (b)為智能 PID 控制算法作用下被控制對(duì)象輸出和輸入曲線之間的關(guān)系。 由以上仿真曲錢可以知道 : a)若采用常規(guī)的 PD 控制方法，從上述的仿真曲線中可以看出，積分的加入提高了系統(tǒng)的型次，使其能夠無靜差跟蹤速度信號(hào)，跟蹤正弦信號(hào)的誤差明顯減小。由于實(shí)際系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在極限位置，所以仿真中也考慮了控制量的限幅問題。但在仿真中發(fā)現(xiàn)一，當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)， PD調(diào)節(jié)器的輸出將由于積分作用的不斷積累而加大，從而導(dǎo)致控制量超出了限幅值，即進(jìn)入了飽和區(qū)，且進(jìn)入飽和區(qū)越深則退 出飽和區(qū)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。這樣，在偏差剛反向時(shí)，控制量由于積分的作用不能立即做出反應(yīng)，使得系統(tǒng)在跟蹤階躍信號(hào)時(shí)出現(xiàn)了很大的超調(diào)，控制性能惡化。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)必須考慮動(dòng)態(tài)性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性能、跟蹤性能之間的矛盾，最終必須在兩者之間取一個(gè)比較滿意的中間點(diǎn)，而無法從根本上解決問題【 20]。 b)若采用智能 PD 控制方法，系統(tǒng)不僅具有良好的階躍響應(yīng)，同時(shí)又可以高精度的跟蹤速度和正弦信號(hào)，做到無靜差跟蹤速度信號(hào)，跟蹤正弦信號(hào)時(shí)的誤差明顯小于經(jīng)典 PID 的誤差。 c)綜上所述，仿真效果相比，不 難發(fā)現(xiàn)，智能 PID 很好的克服了常規(guī)PID 的固有缺陷，能夠使得系統(tǒng)獲得良好的性能。智能 PID 是對(duì)常規(guī) PID算法的改進(jìn)，它結(jié)合了專家的經(jīng)驗(yàn) [19]，根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)出能夠獲得理想控制性能指標(biāo)的算法，并具有一定的智能，解決了單一的常規(guī) PID 控制無法滿足控制性能指標(biāo)的要求，如更快的響應(yīng)時(shí)間和無超調(diào)現(xiàn)象。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 47 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 48 本章小結(jié) 本章主要對(duì)著重闡述了智能 PID 算法和復(fù)合控制算法的思想，結(jié)合系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出智能 PID 和復(fù)合控制相結(jié)合的控制算法，并就常規(guī) PID算法和智能 PID 算法兩種控制方法通 過 M 八 TLAB 編程的仿真分析，通過分別給出了不同輸入信號(hào)情況下的響應(yīng)曲線，然后分析響應(yīng)曲線來比較各種控制方法的優(yōu)劣，得出采用智能 PID 控制器形式方法是比較優(yōu)越的控制方法。 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 工程上為了測(cè)試伺服系統(tǒng)的性能均采用階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)和正弦信號(hào)作為系統(tǒng)輸入信號(hào) :階躍信號(hào)可以較好地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度 。斜坡信號(hào)可以測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)性能的好壞 。正弦信號(hào)由于含有加速度和速度信息，因此系統(tǒng)正弦信號(hào)響應(yīng)可以很好地反映系統(tǒng)的最大加速度和保精度的最大加速度。本系統(tǒng)調(diào)試 亦采用這三種輸入信號(hào)，來測(cè)試系統(tǒng)性能。本章是在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試的過程，首先介紹創(chuàng)新基地的“數(shù)字伺服系統(tǒng)監(jiān)控測(cè)試儀”的功能和使用方法，再詳細(xì)分析伺服控制跟蹤階躍、等速和正弦信號(hào)的性能，結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)所有信號(hào)的性能全部都達(dá)到或超過了指標(biāo)要求。 數(shù)字伺服系統(tǒng)監(jiān)控測(cè)試儀