【正文】 由此可見，與科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達的國家相比，國內(nèi)在運動控制技術(shù)的研究和應(yīng)用方面還有較大差距。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。同時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。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(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)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有 強而有力的控制能力，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。 通過空氣浮球運動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計，我們可以理解并掌握 MATLAB Simulink 仿真和模糊控制算法的應(yīng)用，認識到在計算機控制技術(shù)中，仿真技術(shù)和智能算法是其不可或缺的組成部分。本系統(tǒng)分為六個任務(wù)組成部分，第一部分是對系統(tǒng)進行建模，對空氣浮球進行的受力分析，然后建立空氣浮球運動的數(shù)學(xué)模型；第二和第三部分是 Simulink仿真，分為開環(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的仿真設(shè)計，還有開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的輸出波形驗證；為了使系統(tǒng)更貼近現(xiàn)實，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。小球向上受力情況見 13圖 所示?！L扇提供給空氣浮球—到的空氣阻力；—空氣浮球在運動中受——重力加速度；—動的加速度；—空氣浮球在管道中運—；—空氣浮球自身的質(zhì)量—式中Ffgam 開環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 因為隨著高度的增加，風扇對空氣浮球的推力將會逐漸減弱，主要因素是由于風壓的減小，由風壓公式 2wi nd21 ?? ???WP 圖 31 空氣浮球向上運動受力圖 ）式（ ）式（ 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 5 —風速?！街?A 由于風速減弱與空氣摩擦力、 管壁摩擦力等眾多因素有關(guān)系，且當在管口給定一固定風力時，不同高度對應(yīng)的風力又難以測得，則風速減弱關(guān)系難以確定，所以在這里我們假設(shè)風速與高度成線性關(guān)系，則 realwindwwind HKvv ?? 0 高度。選用的風扇品牌：NMBMAT；型號： 1611RL04WB85，如 22圖 所示。同時本系統(tǒng)是根據(jù)調(diào)節(jié)電機占空比 ， 進行對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，間接調(diào)節(jié)電機的風力。 在測定過程中，我們將利用 ）式（ 、 ）式（ 和 ）式（ 進行計算，同時在用電子稱 表 31 直流風扇銘牌參數(shù) ）式（ ）式（ ）式（ ）式（ 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 6 測定風力時，統(tǒng)一距離電子稱約 cm2 ，管道長度為 cm71 。 名稱 符號 大小 單位 風扇吹力 F / N 空氣阻力 f / N 空氣密度 ? C)( o室溫 3/g mK 小球截面積 A 2m 小球質(zhì)量 m gK 空氣阻力系數(shù) Cd / 小球直徑 D m 重力加速度 g sm/2 小球加速度 a / sm/2 小球速度 v / sm/ 小球高度 h / m 占空比 % 管頭風力 N 管尾風力 N 管頭風速 sm/ 管尾風速 sm/ windK 測定值 65 75 85 利用算數(shù)平均值公式 n aaaa n???? ...321 ，對 windK 求平均值，即： ??????w in dK 通過查閱文獻，可知道空氣阻力的計算公式為 dACvf 221 ?? 4A D 22 2DAvCC d???—小球截面積，其中——小球直徑——小球速度—）—空氣密度（假定室溫——空氣阻力系數(shù)—式中o 由 ）式（ 、 ）式（ 得 maACvmgAHK dr e alw in dw ???? 220 21)(21 ??? 其中，根據(jù) dtdhv? 、22dthda? 得 22220 )(21)(21 dtHdmACdtdHmgAHK r e a ldr e a lr e a lw in dw ???? ??? 表 32 系統(tǒng)模型參數(shù) 表 33 三種占空比的 windK 測定值 ）式（ ）式（ ）式（ 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 7 其中 ）式（ 即為開環(huán)數(shù)學(xué)模型公式。同時為了便于仿真，我們將受 控平臺中各力矢量之和（因為所受各力始終在一條直線上，所以在仿真時可利用簡單的加減模塊，便可得到各力矢量之和）作為輸入量，輸出的實際高度作為輸出量，求出之間的傳遞函數(shù)，這樣最后便可簡化實際高度的求解。在此之前我們先測定給定電壓與風扇風力的關(guān)系， 53圖 為電壓占空比從%100%0 ，所對應(yīng)的風力，說明：該風力默認為管頭的吹力，測量公式采 用g1 0 0 0/ ?? 電子稱顯示質(zhì)量F ，且距離電子稱 cm2 。 下面是控制器仿真設(shè)計，我們先設(shè)計 PWM 脈寬調(diào)制， 63圖 為該設(shè)計模塊圖，命名為 PWMVoltage 模塊，該模塊采樣周期設(shè)置為 ms1 ，則輸出 PWM 波形周期為 ms100 。說明：在設(shè)計中，所有系統(tǒng)參數(shù)均為變量名，其所對應(yīng)的數(shù)值已經(jīng)在 文件中賦值。經(jīng)過分析，小球經(jīng)過長時間的上下浮動，最終將趨于穩(wěn)定。由此可知，小球要想保持在給定高度，必須在給定高度下滿足 windFmg? 條件，由此根據(jù) ）式（ 可推知在管口吹力為 ? ? AvAWPFmg 221 平衡風力????? 風速小球重力相等所需要的—平衡風力代表吹力與—式中 平衡風力v 經(jīng)計算，平衡風速 smv /?平衡風力 。由此，我們可以分別將給 定高度對應(yīng)的 0wF 、占空比計算出來，并利用程序存入分別 和 文本文件中，程序見 93圖 。其對應(yīng)方式為 HGiven 對應(yīng) F0forHGiven， F0forHGiven 對應(yīng)DutyCycleforF0， DutyCycle 對應(yīng) F0，見 103圖 、 113圖 和 123圖 。 圖 39 對應(yīng) 0wF 和對應(yīng)占空比程序編寫 ）式（ ）式（ ）式（ 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 11 圖 311 F0forHGiven與 DutyCycleforF0 對應(yīng)關(guān)系 圖 310 HGiven與 F0forHGiven對應(yīng)關(guān)系 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 12 受控平臺的設(shè)計 首先根據(jù) ）式（ 搭建 windF 風力仿真平臺，見 143圖 。所以我們在此加上 上下 限 速度 保護模塊 Saturation Dynamic，設(shè)置最低速度為 s/m0 ，最高速度為 0wv 。在仿真的過程中我們發(fā)現(xiàn)由于下降的過程中，空氣阻力反向，但是 ）式（ 中含有速度的平方項，使得空氣阻力始終為正。 最后我們利用 ）式（ 構(gòu)建完成整個受控仿真平臺，見 163圖 。我們?yōu)榱蓑?證其準確性，我們選取給定高度為 、 、 三種高度進行測試，其波形見 183圖 、 193圖 、 023圖 ，經(jīng)測試，小球均在給定高度上下浮動，符合開環(huán)系統(tǒng)要求。 圖 318 給定高度 圖 317 開環(huán)系統(tǒng)仿真整體圖 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 17 圖 319 給定高度 圖 320 給定高度 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 18 4 空氣浮球運動控制 閉環(huán) 系統(tǒng)分析 與設(shè)計 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 在此之前，我們已經(jīng)搭建完成了開環(huán)系統(tǒng)的主體設(shè)計。在改造的過程中，由于實際原因，尚存在許多系統(tǒng)參數(shù)無法測定或者測定方式及其復(fù)雜，理論的精確控制難以實現(xiàn)，所以我們決定采用簡化的模糊控制算法來進行系統(tǒng)的閉環(huán)控制，見 14圖 。在這里，數(shù)據(jù)庫用三個在開環(huán)系統(tǒng)中已經(jīng)搭建好的 1D Lookup Table