【正文】 流環(huán)采樣系統(tǒng)框圖,如圖56所示。 z3= z4 = 從而可知z1 、z2 、zz4S四個(gè)根的絕對(duì)值均小于1,它們都在單位圓內(nèi),因此電流環(huán)是穩(wěn)定的。由圖55可知,電流環(huán)廣義控制對(duì)象可以看成是一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成,其傳遞函數(shù)為則應(yīng)選擇的采樣周期為T(mén)LT = 1/4min(TD , Tε) = 1/4min(,)≈ 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及采樣周期的選擇在圖51中,當(dāng)突加速度給定后,ST輸出立即達(dá)到限幅值,ST輸出就是LT的給定,因而系統(tǒng)以最大加速度升速。因此，系統(tǒng)速度閉環(huán)時(shí)其初始條件不為零，而按二、三階最佳工程設(shè)計(jì)是以頻率法為基礎(chǔ)，傳遞函數(shù)為工具，零初始條件為前提的，因而按二、三階最佳來(lái)設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器就成問(wèn)題。按二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器的方法是基于控制作用受約束下，確定最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)從任意初態(tài)，以最優(yōu)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)移到新的平衡狀態(tài)。若給定為一般定常線性系統(tǒng),其狀態(tài)方程為: （519）其中A為nn常陣，B為nm常陣，試確定使性能指標(biāo)最優(yōu)泛函為 （520）的控制規(guī)律U*(t)。可以證明，當(dāng)系統(tǒng)完全能控是，即能控矩陣式(521)的秩為n時(shí)，問(wèn)題一定有解，[B ┊AB┊A2B┊┈┈An1B] （521）且為U*(t)=KX(t) （522）其中K = R1BTP （523）上式為狀態(tài)反饋陣，P是nn對(duì)稱(chēng)陣,它是Riccati代數(shù)方程PAATP+PBR1BTPQ=0 （524）的解。將式(524)改寫(xiě)為P（A BR1BTP）+（A BR1BTP）TP = （PBR1BTP）Q （525） 先給定一個(gè)初值P0，代入公式(525)，求出新值P1，不斷迭代，直到P0 和P1幾乎相等為止，即其中E為迭代偏差，其程序框圖如圖57所示。這樣電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)作為速度環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)處理。圖58速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖設(shè)狀態(tài)量: y=x1=n x2 =Id x3= Ugi則有:相應(yīng)狀態(tài)方程為:其中:把A,B代入式(521)得 [B ┊AB┊A2B] = 它的秩為3, 因而此狀態(tài)方程有解,即系統(tǒng)能控。q11不能選擇過(guò)大，否則使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，一般先q11?1 ，選q11 = 0。對(duì)于單輸入系統(tǒng)，R為常數(shù)，選R=1，把以上四參數(shù)代入式（）。圖59速度環(huán)狀態(tài)反饋框圖由于本設(shè)計(jì)是在速度給定降為零時(shí),尋找制動(dòng)過(guò)程最優(yōu)控制律,因而令UGn = 0, 此時(shí)圖59成為圖510。min/r 。圖510速度環(huán)狀態(tài)反饋簡(jiǎn)化圖圖511 PI調(diào)節(jié)器加比例微分負(fù)反饋框圖比較圖510和圖511可得 （526）比較式(526)兩邊系數(shù)有：KP = , τ = , Tf = , 相應(yīng)速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 (527)比例微分反饋的傳遞函數(shù)為Gfn（s）= 1 + Tfs = 1 + (528)由式(527)可得到速度調(diào)節(jié)器的離散化方程和差分方程為 （529） （530）由式(528)可得比例微分反饋差分方程為Ufn（k）= USF（k）+ [USF（k） USF（k1）] （531）（3）速度環(huán)穩(wěn)定性分析考慮反電勢(shì)的影響,數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖512所示。圖512數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖圖513速度環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)圖由圖512可得到系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為因而得到系統(tǒng)特征方程為z4 – z3 + z2 – + = 0 （532）利用計(jì)算機(jī)求解式()得到的根為z1,2 = 177。（4）速度環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差分析由圖532可得到系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為當(dāng)給定為單位階躍輸入時(shí)有當(dāng)給定為速度輸入時(shí)有 當(dāng)給定為加速度輸入時(shí)有（5）速度環(huán)采樣周期的選擇速度環(huán)的控制對(duì)象傳遞函數(shù)為則有:～。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖圖61 主程序流程圖如圖61所示的主程序流程圖，它完成主程序完成系統(tǒng)的各種功能初始化操作，包括8031的片內(nèi)I/O寄存器、各種狀態(tài)和標(biāo)志位、各個(gè)控制數(shù)據(jù)等的初始化，然后循環(huán)定時(shí)執(zhí)行速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算，并完成鍵盤(pán)輸入、顯示掃描等各種功能。當(dāng)輸入時(shí)誤差函數(shù)e(t)、輸出函數(shù)是u(t)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如下 （61）式中 Kpi為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；t為PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為 （63）其中，Tsam為采樣周期。由式子看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。為了安全起見(jiàn)，常須對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出實(shí)行限幅。而位置式算法必須要同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅。 數(shù)字濾波器程序設(shè)計(jì)在檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)中，不可避免地要混入一些干擾信號(hào)。數(shù)字濾波具有使用靈活、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，它可以用于測(cè)速濾波，也可以用于電壓、電流檢測(cè)信號(hào)的濾波。本次設(shè)計(jì)采用中值平均濾波。程序框圖可由上式得出，在此略。設(shè)系統(tǒng)電流斷續(xù)臨界值為I0，反饋電流采樣值為I，則程序框圖如圖62所示。這里用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。若為零，使電流調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)電壓，把晶閘管調(diào)速系統(tǒng)推向逆變，迫使電動(dòng)機(jī)停止（爬行），其程序框圖如圖63所示。當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性和電流連續(xù)相比有明顯的差別，其動(dòng)態(tài)性能也發(fā)生兩項(xiàng)重要變化。（b）當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)TD存在，從整流電壓UDO的突變到平均電樞電流ID響應(yīng)不可能瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律逐漸變到穩(wěn)態(tài)值。因此，從整流電壓和電流平均值的關(guān)系上看，相當(dāng)于TD=0，也就是說(shuō)，在平均整流電壓和電流之間，電流連續(xù)時(shí)是慣性環(huán)節(jié)，電流斷續(xù)時(shí)就成了比例環(huán)節(jié)。若用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電流自適應(yīng)控制，只要判斷主回路電流是否連續(xù)即可，若電流連續(xù)就按PI算法，若電流斷續(xù)就按I算法。圖64 電流自適應(yīng)程序框圖 速度環(huán)中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)測(cè)速軟件包括捕捉中斷服務(wù)子程序（如圖65所示）和測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序（如圖66所示）構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行到“測(cè)速允許”時(shí)，開(kāi)放捕捉中斷，但只有到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷服務(wù)子程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器M1和高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器M2才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開(kāi)測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器T1，禁止捕捉中斷，使之不再干擾計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。在這一組軟件框圖中，測(cè)速軟件僅完成M1和M2計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序后，首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成PI調(diào)節(jié)，最后啟動(dòng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，為下一步調(diào)節(jié)作準(zhǔn)備。圖67 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖 其它中斷處理程序設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序是控制系統(tǒng)軟件的核心，它將完成大部分計(jì)算以及控制任務(wù)， INT1中斷處理程序比較簡(jiǎn)單，它完成A/D數(shù)據(jù)讀入操作。外部中斷INT0，完成同步校正的數(shù)據(jù)測(cè)量功能。轉(zhuǎn)速計(jì)算由速度環(huán)子程序完成。第7章 系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖71所示。本系統(tǒng)選擇的仿真算法為ode23tb，仿真Start time設(shè)為0，Stop 。圖72是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)得電流和轉(zhuǎn)速曲線。下面分析一下仿真的結(jié)果。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長(zhǎng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。由于在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)代替了控制電路的絕大多數(shù)控制器件，所以各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機(jī)內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。用軟件編程完成電流、轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)。在以往的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速常用測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)檢測(cè)，這種模擬測(cè)速方法的精度不夠高，在低速時(shí)更為嚴(yán)重，很難保障生產(chǎn)的高效、安全運(yùn)行，所以在本次設(shè)計(jì)中測(cè)速采用了目前較先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。本設(shè)計(jì)最后通過(guò)MATLAB系統(tǒng)仿真取得了良好的結(jié)果，各項(xiàng)性能指標(biāo)都能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。通過(guò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各種功能，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會(huì)了許多知識(shí)，培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。當(dāng)然在本次設(shè)計(jì)中還有需要改進(jìn)和完善的地方，比如可以進(jìn)一步完善系統(tǒng)的故障檢測(cè)和保護(hù)，使故障檢測(cè)更加全面和高效，還可以設(shè)計(jì)一個(gè)UPS電源，防止在斷電的情況下造成系統(tǒng)損害，保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。總之，通過(guò)本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，凝聚著許多人的關(guān)懷和幫助。這些使我的本科學(xué)業(yè)得以順利完成，并激勵(lì)著我在今后的人生道路上不斷開(kāi)拓進(jìn)取，勇往直前。在此，我對(duì)劉老師的培養(yǎng)和幫助深表感謝！非常感謝老師們，他們不但在大學(xué)四年中指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)和生活，而且在完成論文期間給我許多幫助和建議，他們兢兢業(yè)業(yè)、對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度為我做出了好的表率，時(shí)刻鞭策著我向他們學(xué)習(xí)。我對(duì)他們致以真誠(chéng)的謝意和衷心的祝福。參考文獻(xiàn)[1]陳伯石。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003。單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]。[3]王兆安。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003。單片機(jī)應(yīng)用文集[M]。[5]周淵深。北京：中國(guó)電力出版社，2004。微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]。[7]涂時(shí)亮，張友德。上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1994。單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]。[9]教育部高等教育司，北京市教育委員會(huì)。北京:高等教育出版社，經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)出版社，1998。單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]。[11]孫虎章。北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1984[12]楊興姚。北京：水利電力出版社，1979 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