第一篇：自動控制綜合設計-無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)

自動控制綜合設計

——無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)

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目 錄

一 設計的目的及意義

二 智能無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)背景知識

三 系統(tǒng)的控制對象

四 系統(tǒng)總體方案及思路 系統(tǒng)總體結構 2 控制機構與執(zhí)行機構 3 控制規(guī)律 系統(tǒng)各模塊的主要功能 5 系統(tǒng)的開發(fā)平臺 6 系統(tǒng)的主要特色

五 具體設計 系統(tǒng)的硬件設計 2 系統(tǒng)的軟件設計

六 系統(tǒng)設計總結及心得體會

一 設計目的及意義

隨著社會的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)進入千家萬戶。汽車的普及造成了交通供需矛盾的日益嚴重，道路交通安全形勢日趨惡化，造成交通事故頻發(fā)，但專家往往在分析交通事故的時候，會更加側(cè)重于人與道路的因素，而對車輛性能的提高并不十分關注。如果存在一種高性能的汽車，它可以自動發(fā)現(xiàn)前方障礙物，自動導航引路，甚至自動駕駛，那將會使道路安全性能得到極大提高與改善。本系統(tǒng)即為實現(xiàn)這樣一種高性能汽車而設計。

二 智能無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)背景知識

智能無人駕駛汽車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。目前對智能汽車的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性，以及提供優(yōu)良的人車交互界面。近年來，智能車輛已經(jīng)成為世界車輛工程領域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達國家都將其納入到各自重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當中。

通過對車輛智能化技術的研究與開發(fā)，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保障車輛行駛的安全通暢、高效。對智能化的車輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善，相當于延伸擴展了駕駛員的控制、視覺和感官功能，能極大地促進道路交通的安全性。智能車輛的主要特點是以技術彌補人為因素的缺陷，使得即便在很復雜的道路情況下，也能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預定的道路軌跡行駛。

三 系統(tǒng)的控制對象

（1）系統(tǒng)中心控制部件（單片機）可靠性高，抗干擾能力強，工作頻率最高可達到25MHz，能保障系統(tǒng)的實時性。

（2）系統(tǒng)在軟硬件方面均應采用抗干擾技術，包括光電隔離技術、電磁兼容性分析、數(shù)字濾波技術等。

（3）系統(tǒng)具有電源實時監(jiān)控、欠壓狀態(tài)自動斷電功能。（4）系統(tǒng)具有故障自診斷功能。

（5）系統(tǒng)具有良好的人性化顯示模塊，可以將系統(tǒng)當前狀態(tài)的重要參數(shù)（如智能車速度、電源電壓）顯示在LCD上。

（6）系統(tǒng)中汽車驅(qū)動力為500N時，汽車將在5秒內(nèi)達到10m/s的最大速度。

四 系統(tǒng)總體方案及思路 系統(tǒng)總體結構

整個系統(tǒng)主要由車模、模型車控制系統(tǒng)及輔助開發(fā)系統(tǒng)構成。

智能車系統(tǒng)的功能模塊主要包括：控制核心模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、后輪電機驅(qū)動模塊、轉(zhuǎn)向舵機控制模塊、速度檢測模塊、電池監(jiān)控模塊、小車故障診斷模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊及調(diào)試輔助模塊。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法?？刂茩C構與執(zhí)行機構

智能車主要通過自制小車來模擬執(zhí)行機構，自制小車長為34.6cm，寬為24.5cm，重為1.2kg，采樣周期為3ms，檢測精度為4mm。

控制機構中，主控制核心采用freescale16位單片機MC9S12DG128B。系統(tǒng)在CodeWarrior軟件平臺基礎上設計完成，采用C語言和匯編語言混合編程，提供強大的輔助模塊，包括電池檢測模塊、小車故障診斷模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊。在路徑識別模塊，系統(tǒng)利用了freescaleS12系列單片機提供的模糊推理機?？刂埔?guī)律

因為系統(tǒng)電機控制模塊控制小車的運動狀態(tài)，其在不同階段特性參數(shù)變化很大，故采用數(shù)字PID控制器，該控制器技術成熟，結構簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)字模型。系統(tǒng)各模塊的主要功能

控制核心模塊：使用freescale16位單片機MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信號的處理和控制信號的輸出。

電源管理模塊：對電池進行電壓調(diào)節(jié)，為各模塊正常工作提供可靠的電壓。路徑識別模塊：完成跑道信息的采集、預處理以及數(shù)據(jù)識別。后輪電機驅(qū)動模塊：為電機提供可靠的驅(qū)動電路和控制算法。轉(zhuǎn)向舵機控制模塊：為舵機提供可靠的控制電路和控制算法。速度檢測模塊：為電機控制提供準確的速度反饋。

電池監(jiān)控模塊：對電池電量進行實時監(jiān)控，以便科學的利用，保護電池。小車故障診斷模塊：對小車故障進行快速、準確的診斷。LCD數(shù)據(jù)顯示模塊：顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)的重要參數(shù)。調(diào)試輔助模塊：使得小車調(diào)試更加方便。系統(tǒng)的開發(fā)平臺

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用CodeWarrior for S12，CodeWarrior是Metrowerks公司的，專門面向Freescale所有的MCU與DSP嵌入式應用開發(fā)的軟件工具，CodeWarrior for S12是面向以HC12或S12為CPU的單片機嵌入式應用開發(fā)的軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。系統(tǒng)的主要特色

（1）系統(tǒng)中引用了模糊推理機

模糊推理機是freescaleS12單片機一個重要的內(nèi)部資源，利用模糊推理的三個步驟——模糊化、模糊邏輯推理、反模糊化，可以從路徑傳感信號，推理出精確的控制量。

（2）系統(tǒng)中采用了數(shù)字濾波技術

數(shù)字濾波技術可靠性高、穩(wěn)定性好、具有很強的靈活性、可以根據(jù)不同的干擾情況，隨時修改濾波程序和濾波方法。

五 具體設計 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如下：

以下按各模塊來分別設計本硬件電路：（1）電源管理模塊

電源管理模塊的功能對電池進行電壓調(diào)節(jié)，為各個模塊正常工作提供可靠的工作電壓。電源管理模塊采用7.2V、2000mAh鎳鎘電池以及LM2576（5V），LM317（6V）穩(wěn)壓芯片構成。

（2）微處理器

微處理器是freescale公司推出的S12系列增強型的16位單片機MC9S12DG128，該系列單片機在汽車電子領域有著廣泛的應用。

（3）路徑識別模塊

路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關鍵模塊之一，其設計的好壞直接影響到智能車控制系統(tǒng)的性能。目前能夠用于智能車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器和CCD/CMOS傳感器。本設計紅外發(fā)射管和紅外接收管以及達林頓管ULN2803A作為路徑識別的傳感器。采用雙排傳感器的策略，第一排傳感器專門用于識別路徑以及記憶路徑的各種特征點，第二排傳感器專門用于識別起始位置與十字交叉路口，由于不同傳感器的功能不一樣，因此它們的布置與安裝位置也是不同。傳感器的設計主要包括傳感器布局，傳感器間隔距離，徑向探出距離，信號的采集幾部分構成。

（4）后輪驅(qū)動和速度檢測模塊

智能車前進的動力是通過直流電機來驅(qū)動的，本設計的驅(qū)動直流電機的型號為RS—380SH，輸出功率為0.9W—40W。在實際生活中，我們可能遇到彎道，為了能使模型車在過彎道的時候能快速地把速度減下來，電機驅(qū)動部分采用了兩塊MC33886組成的全橋式驅(qū)動電路，可以控制電機的反轉(zhuǎn)以達到制動的目的。

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，速度指令值通過微控制器變換到驅(qū)動器，驅(qū)動器再為電機提供能量。速度傳感器再把測量的小車的速度量的實際值回饋給微控制器。以便微控制器進行控制。因此要對控制系統(tǒng)實行閉環(huán)控制，必須要有感應速度量的速度傳感器。常用的有軸編碼器，它主要用來測量旋轉(zhuǎn)軸的位置和轉(zhuǎn)速。

（5）轉(zhuǎn)向舵機模塊

凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn)。本設計采用的舵機型號為HS—925（SANWA），尺寸為39.4*37.8*27.8，重量56kg，工作速度0.11sec/60（4.8V），0.07sec/60（6.0V），堵轉(zhuǎn)力矩6.1kg。一般來講，舵機主要由以下基本分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。其中，直流馬達提供了原始動力，帶動減速齒輪組，產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，輸出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。在設計中，為了提高舵機的響應速度和工作力矩，采用6.0V工作電壓。

（6）電源電壓檢測模塊

智能車采用鎳鎘電池供電，由于鎳鎘電池具有記憶效應，對電池的不完全放電會認為降低電池的電容量，同時深度放電又會導致電池內(nèi)部結構變化，造成對電池的永久損害，因此，在智能車控制系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控模塊，當電池電壓低于6V時及時自動報警，并切斷電路，用來保護電池。本模塊用到的主要器件為光電耦合芯片TLP521—2以及運算放大器LM324。

（7）液晶顯示模塊

為了完善智能車控制系統(tǒng)的功能，使其更加人性化，同時為了方便測試，在設計中，加入液晶顯示模塊，把智能車系統(tǒng)當前狀態(tài)的一些重要參數(shù)顯示出來。本模塊用到的器件為LCD控制器HD44780。

（8）輔助調(diào)試模塊（紅外遙控）

在智能車調(diào)試階段，小車經(jīng)常出現(xiàn)啟停的情況，例如高速行駛的小車有時因為異常情況沖出跑道，以這樣的速度碰到周圍的障礙物上，勢必損壞小車的部件，這個時候就需要小車立刻停下來。為此，在智能車系統(tǒng)上添加紅外遙控模塊，當想啟動小車或者想讓小車停止時，只需要按下遙控器上的按鍵，就可以很方便實現(xiàn)小車的啟停。本模塊主要用紅外接收器HS0038A和紅外遙控器來進行遙控控制。

（9）故障診斷模塊

小車的故障診斷模塊原理很簡單，就是利用單片機的SCIO口，通過RS—232接口與上位機連接起來，通過軟件編程，小車不斷的向上位機發(fā)送代碼，通過故障代碼就可以馬上診斷出故障源。系統(tǒng)的軟件設計

在智能車系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)主要有以下幾個部分：路徑識別算法、后輪驅(qū)動電機控制算法、轉(zhuǎn)向舵機控制算法、速度檢測等。單片機系統(tǒng)需要接收路徑識別電路的信號、車速傳感器的信號，采用某種路徑搜索算法進行巡線判斷，進而控制轉(zhuǎn)向伺服電機和直流驅(qū)動電機。控制策略的選擇對于小車的行駛性能是非常重要的，控制小車的最終目的就是要使小車在平穩(wěn)行駛的前提下，盡可能地以最快速度和最短的路線行駛。下面簡要介紹各模塊的軟件算法。

（1）后輪驅(qū)動電機控制算法

電機控制算法的作用是接受指令速度值，通過運算向電機提供適當?shù)尿?qū)動電壓，盡快盡量平穩(wěn)地使電機轉(zhuǎn)速達到速度值，并維持這個速度值。換言之，一旦電機轉(zhuǎn)速達到了指令速度值，即使遇到各種不利因素的干擾下，也應保持速度值不變。

因此我們采用數(shù)字控制器的連續(xù)化設計技術PID控制算法來控制本部分電路。

① 數(shù)學模型的設定

我們設定系統(tǒng)中汽車車輪的轉(zhuǎn)動慣量可以忽略不計，并且認為汽車受到的摩擦阻力大小與汽車的運動速度成正比，摩擦阻力的方向與汽車運動方向相反。這樣，我們就可以用以下模型來仿真之。

根據(jù)牛頓運動定律，該系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型可表示為：

?ma?bv?uy?u

我們對系統(tǒng)的參數(shù)進行設定，設汽車質(zhì)量m=1000kg，比例系數(shù)b=50N*s/m，汽車驅(qū)動力u=500N。

根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，系統(tǒng)中汽車驅(qū)動力為500N時，汽車將在5秒內(nèi)達到10m/s的最大速度。同時我們可以將系統(tǒng)的最大超調(diào)量設計為10%，靜態(tài)誤差設計為2%。

② 系統(tǒng)的開環(huán)階躍函數(shù)表示

為了得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們進行拉普拉斯變換。假定系統(tǒng)的初始條件為零，則：

?msV(s)?bV(s)?U(s)Y(s)?V(s)

所以系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

Y(s)1? U(s)ms?b運用MATLAB編程實現(xiàn)該傳遞函數(shù)模型： m=1000 b=50 u=500 num=[1] den=[m b] sys=tf(num,den)step(u*sys)title('系統(tǒng)開環(huán)節(jié)躍響應曲線')

從圖上我們看出，系統(tǒng)不符合5秒的上升時間要求，故需要加上合適的控制器。

③ PID控制器的設計 PID控制器的傳遞函數(shù)為：

KDs2?Kps?KIKIU(s)1 D(s)??Kp(1??TDs)?Kp??KDs?E(s)TIsss我們運用湊試法來確定PID的各參數(shù)。

首先我們確定采樣周期。采樣周期的選擇既不能過大也不能過小，過小會使采樣頻率較高，一方面會加重單片機的負擔，另一方面兩次采樣值的偏差變化太小，數(shù)字控制器的輸出值變化不大。同時采樣周期也不能太大，太大會降低PID控制器的準確性，從而不能正常發(fā)揮PID控制器的功能。綜上所述，我們首先選擇T=0.2s來進行實驗，如果效果不好，我們在對其進行微調(diào)。

然后我們進行比例控制器的設計。比例控制器一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。我們首先設定Kp=100，則程序與仿真圖為：

nc=100;dc=1;dd=tf(nc,dc)dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin')sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1)step(500*syscld);title('比例控制器作用下的階躍響應（驅(qū)動力為500N）')

從圖中可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)值太高，而且上升時間也遠遠不能滿足設計要求。我們改變汽車驅(qū)動力為10N，再次進行仿真，仿真結果如下（程序中只需改動step語句為step（10* syscld）即可）：

我們看到系統(tǒng)靜態(tài)值雖然產(chǎn)生了較大幅度的下降，但仍然不能滿足要求。我們再將Kp從100逐步增加，直至改為1500進行測試（程序改動為nc=1500），我們發(fā)現(xiàn)此時仿真靜態(tài)值與靜態(tài)誤差以及上升時間已基本滿足系統(tǒng)需求，從而我們完全可以通過繼續(xù)增加比例系數(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，進而理論上可以省去積分環(huán)節(jié)。但是隨著比例系數(shù)的增加動態(tài)過程將讓人不滿意，其動態(tài)變化將過快，從而給駕駛?cè)藛T帶來身體上的不適（圖二為比例系數(shù)增至5000時的仿真波形，我們發(fā)現(xiàn)在0.1s的時間內(nèi)，汽車速度將從2m/s驟增至5m/s），所以我們從人性化角度考慮，增加積分環(huán)節(jié)：

圖二 積分環(huán)節(jié)的加入可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。我們設定Kp=1000，Ki=10,此時程序和仿真圖形如下：

nc=[1000 10] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld，10);title('比例積分控制器作用下的階躍響應')

我們可以看到，此時靜態(tài)誤差過大，我們調(diào)節(jié)積分系數(shù)為50（改變程序為nc=[1000 50]），再次仿真：

我們看到系統(tǒng)已基本實現(xiàn)設計要求，實際設計中可以不加入微分環(huán)節(jié)。鑒于此次設計為課程設計，為保證設計完整性，我們在加入微分環(huán)節(jié)來觀察一下微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。

設Kd=10，則程序為： nc=[10 1000 50] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld,10);title('比例積分微分控制器作用下的階躍響應')

我們發(fā)現(xiàn)此圖與上圖區(qū)別不明顯，即微分作用不明顯，我們將微分系數(shù)更改為500（程序更改為nc=[500 1000 50]）：

我們清楚的發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)初始值明顯變大，即微分作用可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

當采樣周期改為T=1s時，系統(tǒng)程序與仿真波形為： nc=[500 1000 50] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld,10);title('比例積分微分控制器作用下的階躍響應 T=1s')

我們可以看到效果遠遠不如T=0.1s時的情況。所以綜上所述，我們設計的PID控制器的傳遞函數(shù)為：

D(s)?U(s)1000s?50?，采樣周期為T=0.1s。E(s)s然后，我們利用數(shù)字控制器的離散化設計步驟來設計本系統(tǒng)。通過前面的分

Y(s)1?析，我們知道被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)為：。其中，m=1000，b=50。U(s)ms?b1?e?Ts因為零階保持器的傳遞函數(shù)為：H(s)?。所以得到廣義對象的脈沖傳遞

S函數(shù)為：

1?eTs11G(z)?Z[*]?(1?z?1)Z[]

s1000s?50s(1000s?50)11111

?(1?z?1)Z[*]?*(1?z?1)*20*Z[?]

1000s(s?1)1000ss?120201(1?e)z?110.0488z?1]?*

?[ 1?1?50501?0.9512z1?e20z?1?120對單位脈沖輸入信號的十倍，R(z)?下：

10，選擇 ?(z)?z?1。仿真程序如?11?zG=tf([0,0.0488,0],[50,47.56,0],1,'variable','z^-1')H=tf([0,1,0],[1],1,'variable','z^-1')R=tf([10,0,0],[1,-1,0],1,'variable','z^-1')Y=R*H figure(1)impulse(Y)He=1-H E=He*R D=H/(G*(1-H))U=E*D figure(2)impulse(U)

從圖中可以看出，在十倍的單位階躍信號，采樣周期為1s時，只需一拍輸出就能跟蹤輸入，誤差為零，非常好的達到了系統(tǒng)的設計要求。

然后，我們再看一下增量型PID控制器的效果： 當比例積分微分系數(shù)不變時，程序如下： kp=1000 ki=50 kd=500 G=tf(1,[0,1000,50])Gd=c2d(G,0.1,'z')[num,den]=tfdata(Gd,'v')u_1=0 u_2=0 y_1=0 y_2=0 e_1=0 e_2=0 q0=kp+ki*0.1+kd/0.1A q1=-kp-2*kd/0.1 q2=kd/0.1 for k=1:1:1000 t(k)=k*0.1 r(k)=10 y(k)=1-den(2)*y_1+num(2)*u_1 e(k)=r(k)-y(k)u(k)=q0*e(k)+q1*e_1+q2*e_2 u(k)=u_1+u(k)u_2=u_1 u_1=u(k)y_2=y_1 y_1=y(k)e_2=e_1 e_1=e(k)end plot(t,y)程序運行結果為：

我們可以清楚地看到，除超調(diào)量超過系統(tǒng)要求外，其余要求均符合系統(tǒng)初始條件，我們可以通過增加微分系數(shù)來減小超調(diào)，直至使其滿足系統(tǒng)要求。

（2）路徑識別模塊的軟件設計 路徑識別模塊的工作框圖見下頁。

智能車路徑識別算法是智能車軟件設計中最關鍵的一部分，智能車設計的大部分工作都是圍繞它來展開的。路徑識別算法概括起來有兩種：一種是靜態(tài)識別，所謂靜態(tài)識別就是只根據(jù)小車的當前時刻的輸入量來識別小車的位置；另一種是動態(tài)識別，所謂動態(tài)識別就是根據(jù)小車的當前時刻以及前面的N個時刻的信號輸入量來識別小車的運動趨勢。

路徑識別主要運用MC9S12DG128B內(nèi)部的模糊推理機運用模糊邏輯的基本知識來實現(xiàn)。

本模塊也可以用數(shù)字PID控制算法來實現(xiàn)，鑒于后輪驅(qū)動電機控制算法已詳細的運用了PID來講述之，此處不再贅述。此處運用PID的思想即通過與數(shù)字地圖比較偏差，從而不斷調(diào)整小車路線，達到路徑識別的功能。

（3）數(shù)字濾波技術

在電動機數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量值yk是通過系統(tǒng)的輸出量進行采樣而得到的。它與給定值r（t）之差形成偏差信號ek，所以，測量值yk是決定偏差大小的重要數(shù)據(jù)。測量值如果不能真實地反映系統(tǒng)的輸出，那么這個控制系統(tǒng)就會失去它的作用。在實際中，對電動機輸出的測量值?；煊懈蓴_噪聲，用混有干擾的測量值作為控制信號，將引起誤動作，在有微分控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中還會引起系統(tǒng)震蕩，危害極大。

在本系統(tǒng)設計中，采用了移動平均濾波法。移動平均濾波法沒計算一次測量值，只需采樣一次，所以大大加快了數(shù)據(jù)處理速度，非常適合于實時控制。

移動平均濾波法是將采樣后的數(shù)據(jù)按采樣時刻的先后順序存放在RAM中，在每次計算前先順序移動數(shù)據(jù)，將隊列前的最先采樣的數(shù)據(jù)移出，然后將最新采樣的數(shù)據(jù)補充到隊列的尾部，以保證數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里總有n個數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)仍按采樣的先后順序排列。這時計算隊列中各數(shù)據(jù)的算術平均值，這個算術平均值就是測量值yk，它實現(xiàn)了每采樣一次，就計算一個yk。

（4）轉(zhuǎn)向舵機控制算法

舵機控制是智能車系統(tǒng)中很重要的一個環(huán)節(jié)，舵機控制的好壞也直接影響了小車的控制效果，舵機的控制信號為20ms的脈寬調(diào)制信號，其中脈沖寬度從0.5ms—2.5ms，相對應舵盤的位置為0—180度，呈線性變化。也就是說，給它一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。

（5）速度檢測軟件設計

速度傳感器采用紅外對射式傳感器，傳感器感應出與速度相關的脈沖后，接下來就要識別這些脈沖。有兩種方法可以識別，一種是通過測量脈沖的寬度來識別小車的速度，另一種是通過計算一定時間內(nèi)的脈沖的個數(shù)來識別小車的速度。本設計采用后一種方法。在本設計中利用了MC9S12DG128B內(nèi)部的兩個資源，分別是RTI中斷和輸入捕捉中斷：通過RTI中斷，可以控制一定的時間，這段時間是固定的；通過輸入捕捉中斷，來計算捕獲脈沖的個數(shù)，最后通過在這段時間內(nèi)捕獲的脈沖個數(shù)來反映小車速度的大小。

六 系統(tǒng)設計總結及心得體會

該智能車控制系統(tǒng)智能化程度較高，使用操作簡單，性能可靠；采用專用單片機控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)工作可靠性；智能化程度較高，在一定程度下，基本不用人工操作；采用LCD液晶顯示，人機交互化程度較高?？傮w而言，為一質(zhì)量較高的設計。這次控制器的設計，引發(fā)了我的很多思考。對控制對象施以控制的要求，以及具體實現(xiàn)后，在現(xiàn)實生活中的可以用具體事物實現(xiàn)。這次設計讓我在理論與實際之間的概念轉(zhuǎn)換上得到很大的啟發(fā)。還有就是任何一項設計的具體實現(xiàn)是需要我們的耐心和細心。

第二篇：計算機控制系統(tǒng)論文

計算機控制技術的應用

xx（沈陽工業(yè)大學 研究生學院，遼寧省 沈陽市110000）

摘要：隨著科學技術的發(fā)展，人們越來越多的用計算機來實現(xiàn)控制。近年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感器技術、CRT顯示技術、通信與網(wǎng)絡技術和微電子技術的高速發(fā)展，給計算機控制技術帶來了巨大的發(fā)展，因此，設計一個性能良好的計算機控制系統(tǒng)是非常重要的。計算機控制系統(tǒng)包括硬件、軟件和控制算法3個方面，一個完整的設計還需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，使系統(tǒng)能長期有效地運行。本文的主要目的就是在淺析計算機控制技術原理的同時，對計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行描述。關鍵詞：計算機控制技術；原理；應用

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：

The application of computer control technology

xxxxx(Shenyang University of Technology Shenyang 110000)

Abstract: with the development of science and technology, more and more people use computer to realize control.In recent years, computer technology, automatic control technology, measurement and sensor technology, the CRT display technology, communication and network technology and the rapid development of modern microelectronics technology, computer control technology on the development, therefore, to design a good performance of the computer control system is very important.Computer control system includes three aspects: hardware, software and control algorithm, a complete design also need to consider the anti-jamming performance of the system, the system can run effectively for a long time.The main purpose of this article is on the principle of computer control technology of shallow at the same time, the development trend of computer control system is described.Key words: computer control technology;The principle;application

1.計算機控制系統(tǒng)組成

計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。而一個完整的計算機控制系統(tǒng)應由下列幾部分組成：被控對象、主機、外部設備、外圍設備、自動化儀表和軟件系統(tǒng)。1.1硬件部分

計算機控制系統(tǒng)的硬件構成將自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了典型的計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)由計算機(工業(yè)控制機)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。工業(yè)控制機是指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機構、電氣開關等裝置。1.2 軟件部分

軟件系統(tǒng)是控制機不可缺少的重要組成部分。只有在適當?shù)能浖到y(tǒng)支持下，控制視才能按設計的要求正常地工作?？刂茩C的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應

用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件是用于計算機系統(tǒng)內(nèi)部的各種資源管理、信息處理相對 外進行聯(lián)系及提供服務的軟件。例如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、語言加工系統(tǒng)和診斷 程序等。應用軟件是用來使被控對象正常運行的控制程序、控制策略及其相應的 服務程序。例如過程監(jiān)視程序、過程控制程序和公用服務程序等。應用軟件是在 系統(tǒng)軟件的支持下編制完成的，它隨被控對象的特性和控制要求不同而異。通常 應用軟件由用戶根據(jù)需要自行開發(fā)。隨著計算機過程控制技術的日趨成熟，應用 軟件正向標準化、模塊化的方向發(fā)展。標準的基本控制模塊由制造廠家提供給用 戶，用戶只需根據(jù)控制的要求，經(jīng)過簡單的組態(tài)過程即可生成滿足具體要求的專 用應用軟件，大大方便了用戶，縮短了應用軟件的開發(fā)周期。提高了應用軟件的 可靠性。

2.計算機控制系統(tǒng)的特點

（1）結構上：計算機控制系統(tǒng)中除測量裝置、執(zhí)行機構等常用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能的核心部件是數(shù)字計算機，所以計算機控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部 件的混合系統(tǒng)。

（2）計算機控制系統(tǒng)中除仍有連續(xù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數(shù)字等 多種信號形式。

（3）由于計算機控制系統(tǒng)中除了包含連續(xù)信號外，還包含有數(shù)字信號，從而使 計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上有許多不同，需采用專門的理論來分析 和設計。

（4）計算機控制系統(tǒng)中，修改一個控制規(guī)律，只需修改軟件，便于實現(xiàn)復雜的 控制規(guī)律和對控制方案進行在線修改，使系統(tǒng)具有很大靈活性和適應性。

（5）計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的運算能力，一個控制器（控制 計算機）經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式而同時控制多個回路。

（6）采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統(tǒng)、微機網(wǎng)絡等，便于 實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高。

3.計算機控制系統(tǒng)的控制過程

（1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行數(shù)據(jù)分析和處理，并按已定的控制 規(guī)律決定進一步的的控制過程。

（3）實時控制：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任 務。

4.計算機控制系統(tǒng)的設計過程

計算機控制系統(tǒng)的設計過程計算機控制體系的軟件和硬件的組織構造是根 據(jù)它聯(lián)系的設備不一樣，有所改變的，他們的組織結構大致是一樣地，可以涉及 到系統(tǒng)設計，控制任務，軟件設計等。4.1系統(tǒng)方案設計

我們依據(jù)體系設計任務書進行總體方案設計，對體系的軟件，硬件它們的構 造再考察它的要求，推算出合適它的的系統(tǒng)，組成一個新的系統(tǒng)。再時間很緊張 的時候可以拿現(xiàn)場的配件組合，再設計費用不到位的時候工作人員可以組織自己 設計的模式，但是要注意化風好軟件和硬件的價格及時間，控制體系結構它的概括微型的處理器、存儲器、選擇好接線口、傳感器、硬件的設計與調(diào)試的基本內(nèi)容。4.2控制任務

我們要對超控設備進行調(diào)研，研究，了解工作程序是再體系設計1前應該做好的事，只有理解了它的要求，理解了它要接收的任務，涵蓋體系的終極目標，數(shù)據(jù)流量還有準確度，現(xiàn)場的要求，時間的控制，我們要嚴格按照計劃說明操控，實現(xiàn)整個系統(tǒng)操作。4.3軟件設計 計算機軟件的設計要依據(jù)體系規(guī)劃的總意見，確定體系下所要完成的各種功能及完成這些系統(tǒng)性能的推理和時差序關系，并用合理組成部件表格畫出來。他們是根據(jù)體系組成表格不同的功能，分別規(guī)劃出相應的控制體系所需要的軟件。例如仿真的量輸入和仿真量輸出及數(shù)據(jù)處理還有互聯(lián)和打字版處理格式等。每一種表格都可以單獨進行實驗調(diào)試，各種表格分別實驗調(diào)試好以后，再按工作路線圖推理和時間順序關系將他們正確組合、互相連接、實驗和調(diào)試。

4.4現(xiàn)場安裝調(diào)試

首先要按設計計劃合理組裝裝，對體系結構進行大體的演練和比較準確的演練，結合演練的結構數(shù)據(jù)重置體系的置和儲存數(shù)據(jù)進行軟硬件的調(diào)試，他們的構件組成都可以在演練數(shù)據(jù)下用對演練數(shù)據(jù)進行試研的辦法同時進行，同時他們要進行統(tǒng)一的實驗及推理，仿真物體是這個體系驗證的最基本要求，而好的體系的數(shù)據(jù)調(diào)整實試要在現(xiàn)場進行。

5.計算機控制技術在自動化生產(chǎn)線上的應用

工業(yè)機器手臂的自動化的沖壓生產(chǎn)線運行循環(huán)路線可以簡單概括為：上下料機構板材沖壓。鋼板物料的傳送、線頭板料清洗涂油、鋼板板物料料位置校正、第一臺壓床沖壓、下料機器手臂提取物料、壓床再次沖壓、依設計流程傳到下一個工序、機器人收取物料并裁剪、把它輸送到下一臺壓床、下一臺機器人接著提取物料、把物料放到輸送裝置上，工人開始按規(guī)定型號堆積板材。用工業(yè)機器人的自動化的生產(chǎn)線，會更加符合現(xiàn)再經(jīng)濟發(fā)展的需求及技術方面的創(chuàng)新。機器人手自動的化生產(chǎn)線適用于現(xiàn)在大規(guī)模的生產(chǎn)的各個行業(yè)，也適合已有生產(chǎn)線實現(xiàn)全自動的業(yè)再次更新，工程機器人自動的生產(chǎn)線通過改變不同的軟件，它可應用于很多車型生產(chǎn)，它的可控制性能很好，工業(yè)機器人體系組成包括上下料結構、清洗涂油機體系對各種型號的沖床兼上下料體系、物料輸送體系。各個分體系連接間的電氣化操控是按照統(tǒng)一操做控制和刪減控制的原則，他們再不同附件的操控系統(tǒng)中，他們是應用了機械與構建操控的很有代表性的一個組成，他們每個級別都應用不一樣的互聯(lián)網(wǎng)工程和軟硬件控制，以達到不同的設計效果實現(xiàn)自動化。各部分操控體系采用具有現(xiàn)場總線形式的PtC操控方法，他有獨立操控和智能操控的特點。為確保控制體系正常運轉(zhuǎn)，我們在車間總的線路全部采用西門子Proflbus總線及di數(shù)字化的局域計算機網(wǎng)絡的分布式包交換技術體系。每個監(jiān)督控制結構的PiC之間及PiC與上～個機械間的聯(lián)系全部采用了現(xiàn)代化的集成板的局域電腦互聯(lián)網(wǎng)的分布式包交換技術，供監(jiān)控體系相互聯(lián)系時應用。沖床機的運動中樞應連接Ethetnet csrd與機器人的操控體系聯(lián)網(wǎng)，操控體系與工業(yè)機器人的聯(lián)系方式是通過Proflbus．DP的總路線連接的他們實現(xiàn)了信息的互換和連接。連接體系采用了HMI SIEMENS的觸摸技術，在每一個可操控的部件上都放置一個顯示屏，它應用了Proflbus的數(shù)據(jù)連接。各個部件都安裝了信息指示燈和緊急開關，屏幕可看到系統(tǒng)信息及顯示錯誤出現(xiàn)在那里，與這個設備有聯(lián)系的的i＼O 信號在HMi上顯示，他們以紅燈和黃燈區(qū)分。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)哪里有情況，將會鳴笛警報，顯示屏上將會出現(xiàn)問題出現(xiàn)在那里，以便維修人員查找。這個體系還有演練數(shù)字場景的能力，在磨擬演練中，它的壓力和轉(zhuǎn)動速度可能會影響到生產(chǎn)還有可能會發(fā)生操作控制與機械運轉(zhuǎn)不同步的可能，體系是通機器人的離線程序控制的機器人的運行路線，來減少生產(chǎn)現(xiàn)場的實驗休整周期。機器人沖壓設備再生產(chǎn)中使用面很廣，他改變了傳統(tǒng)的勞動模式，改善了勞動條件及強度，確保了生產(chǎn)的安全，提高生產(chǎn)的進度及產(chǎn)品的合格率，它不但材料的生產(chǎn)流程還減少了浪費，節(jié)約了時間，縮小了生產(chǎn)成本，隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試設備的周期設計時間不斷提前，機器人自動化生產(chǎn)線越來越為汽車主機廠所接受，成為沖壓自動化生產(chǎn)線的主流。

6.豎爐球團計算機控制系統(tǒng)

結合球團生產(chǎn)的特點，將豎爐球團T藝分解為四組，即配料烘干組、潤磨旁路組、造球組、豎爐組根據(jù)現(xiàn)場的實際情況。系統(tǒng)的控制設備主要分布在總控室和現(xiàn)場設備控制站，其中豎爐組控制箱全部放在總控室。按照豎爐自動系統(tǒng)的控制要求和各設備的功能，系統(tǒng)可分為四層，各層設備和功能如下。

第一層為處于系統(tǒng)底層—— 檢測元器件與執(zhí)行機構。該層主要有電動蝶閥、放散閥、各種儀器儀表、變頻器以及快切閥等。主要完成生產(chǎn)設備的操作和工藝參數(shù)的監(jiān)測，執(zhí)行來自PLC的程序指令，并做出相應的操作或顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)。

第二層為PLC控制層，包括CPU模塊，PS模塊，DI、DO、AI、AO模塊，ET200M模塊和各種網(wǎng)絡通信接口適配器等 主要完成整個系統(tǒng)PLC站的控制網(wǎng)絡集成，負責接收從設備層傳送的信息、數(shù)據(jù)和上位機控制的命令，并將這些命令再反饋到設備層，完成中央信息層與設備層之間的信息、數(shù)據(jù)、命令傳輸及交換

第三層為中央信息層，即上位機控制層。監(jiān)控上位機是j臺研華IPC一610H工控機(配有Windowsxp操作系統(tǒng)，并安裝STEP75．4西門子編程軟件和組態(tài)軟件)，一臺為操作員站，一臺為T程師站，另外一臺作為操作員站和工程師站的熱備；兩臺彩色噴墨打印機和相關網(wǎng)絡通信設備等組成。通過上位機，操作人員可以遠程控制現(xiàn)場各設備的運行，完成實時監(jiān)測參數(shù)和現(xiàn)場設備運行狀態(tài)的控制，歷史數(shù)據(jù)的記錄、查看，報警與故障的提示和處理等功能

第四層為網(wǎng)絡和其他外部保護設備 工業(yè)以太網(wǎng)交換機、不間斷電源(UPS)、信號避雷器和隔離器，用于發(fā)生斷電、雷擊或電磁干擾等情況，各種設備仍能安全穩(wěn)定地運行且信號正確無誤傳送。

7.總結

計算機控制就是用計算機對一個動態(tài)對象或過程進行控制。在計算機控制系統(tǒng)中，用計算機代替自動控制系統(tǒng)中的常規(guī)控制設備，對動態(tài)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和控制，這是對自動控制系統(tǒng)所使用的技術裝備的一種革新。通過大量的閱讀關于計算機控制的文章，了解到了計算機控制與我們密切相關，無處不在。也隨著社會的發(fā)展，人們也越來使用計算機來控制，對與一些企業(yè)來說使用計算機控制，雖然技術或者一些儀器需要大量的資金，但是從長遠方面來看，它節(jié)省了人力物力。從算機控制的技術應用的方面的考慮，我認為計算機控制的技術發(fā)展?jié)摿€是很大的，值得我們?nèi)W習去研究。總之，隨著計算機軟件技術的逐漸發(fā)展，計算機的操作控制正逐步的進入到生產(chǎn)的各個領域。所以我們要不斷創(chuàng)新改革，創(chuàng)作出一個更好的控制體系是非常有意義的。

參考文獻

[1]謝國民、付華.電氣傳動自動化[J].2009年第2期第31卷第40頁 [2]馬菲.儀器儀表學報[J].2013年第1期

[3]王文成、張金山等.控制工程[J].2011年第2期 [4] 李峰李超等.測控技術[J].2013年32卷1期 [5] 唐星元.儀器儀表學報[J].2012年第1期 [6]楊文光.控制理論及應用[J].2011年第2期 [7]李元春.計算機控制系統(tǒng)

第三篇：自動控制實驗報告一-控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

實驗一 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

一、實驗目的

1．觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2．研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。

二、實驗儀器

1．自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺 2．計算機一臺

三、實驗內(nèi)容

系統(tǒng)模擬電路圖如圖

系統(tǒng)模擬電路圖 其開環(huán)傳遞函數(shù)為:

G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)

式中 K1=R3/R2，R2=100K?，R3=0～500K；T=RC，R=100K?，C=1?f或C=0.1?f兩種情況。

四、實驗步驟

1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩端連在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。

2.啟動計算機，在桌面雙擊圖標 [自動控制實驗系統(tǒng)] 運行軟件。3.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗三[控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析]

5.取R3的值為50K?，100K?，200K?，此時相應的K=10，K1=5，10，20。觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化，即R3=200k?，100k?，50k?，觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K值，并觀察U2的輸出波形。

五、實驗數(shù)據(jù) 1模擬電路圖

2．畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。C=1uf時： R3=50K K=5：

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20：

等幅振蕩：R3=220k:

增幅振蕩：R3=220k： R3=260k:

C=0.1uf時：

R3=50k:

R3=100K:

R3=200K:

第四篇：計算機控制系統(tǒng)期末總結

流量：1~3s溫度：10~20s

液位：5~10s壓力：1~5s

成分：10~20s位置：10~50ms

電流環(huán)：1~5ms速度：5~20ms

1at/T

s?(1/T)lnaz z?a

s?az?at?aT ez?e

p單位階躍：limz→11+G(z)=K

單位速度：limz→1T

（1?Z?1）G(z)

T2

（1?Z?1）G(z)=K vT單位加速度：limz→1

前向差分：s=z?1T=T2Ka 后向差分：s=

1?Z?1

1+Z?11?Z?1T雙線性變換：s=?T2

沖擊不變D(Z)=Z[D(S)]

階躍響應D Z = Z [1?e?TSS]D(S)

?1?1有紋波：Φ(Z)=Z?m u+cq+v?1z?（q+v?1））i=1 1?biz（c0+c1z

?1?1無紋波：Φ(Z)=Z?m w+cq+v?1z?（q+v?1））i=1 1?biz（c0+c1z

Smith補償器： 1?z?N G0(Z)補償后系統(tǒng)特征方程：1+D0 Z G0 Z = 0 狀態(tài)反饋：ZI-(A-BK)判可控Wc求K

全維 ：ZI-(A-HC)判可觀 WO T 求HT

G Z = C(zI?A)?1B+D

外部干擾：電網(wǎng)波動、大功率用電設備的啟停、高壓設備和電磁開關形成的電磁場、傳輸電纜的共模干擾

內(nèi)部干擾：分布電容或分布電感的耦合、多點接地點的電位差、長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?作用途徑：傳導耦合、靜電耦合、電磁耦合、公共阻抗耦合共模干擾抑制：變壓器的隔離、光電隔離、浮地屏蔽

第五篇：計算機控制系統(tǒng)作業(yè)參考答案

《計算機控制系統(tǒng)》作業(yè)參考答案

作業(yè)一

第一章

1.1什么是計算機控制系統(tǒng)？畫出典型計算機控制系統(tǒng)的方框圖。

答：計算機控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計算機參與控制的自動控制系統(tǒng),既:用算機代替模擬控制裝置,對被控對象進行調(diào)節(jié)和控制.控制系統(tǒng)中的計算機是由硬件和軟件兩部分組成的.硬件部分: 計算機控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機、外部設備、過程輸入輸出設備組成;軟件部分: 軟件是各種程序的統(tǒng)稱，通常分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。

被控制量 給定值偏差控制量被控對象 調(diào)節(jié)器

_

測量環(huán)節(jié) 計算機(數(shù)字調(diào)節(jié)器)

圖1.3-2 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)

1.2.計算機控制系統(tǒng)有哪幾種典型的類型？各有什么特點。

答：計算機控制系統(tǒng)系統(tǒng)一般可分為四種類型：

①數(shù)據(jù)處理、操作指導控制系統(tǒng)；計算機對被控對象不起直接控制作用,計算機對傳感器產(chǎn)生的參數(shù)巡回檢測、處理、分析、記錄和越限報警，由此可以預報控制對象的運行趨勢。

②直接數(shù)字控制系統(tǒng)；一臺計算機可以代替多臺模擬調(diào)節(jié)器的功能，除了能實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律外, 還能實現(xiàn)多回路串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解藕控制，以及自適應、自學習,最優(yōu)控制等復雜的控制。

③監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)；它是由兩級計算機控制系統(tǒng)：第一級DDC計算機, 完成直接數(shù)字控制功能；第二級SCC計算機根據(jù)生產(chǎn)過程提供的數(shù)據(jù)和數(shù)學模型進行必要的運算，給DDC計算機提供最佳給定值和最優(yōu)控制量等。

④分布式計算機控制系統(tǒng)。以微處理機為核心的基本控制單元，經(jīng)高速數(shù)據(jù)通道與上一級監(jiān)督計算機和CRT操作站相連。

1.3.計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)主要區(qū)別是什么？計算機控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點？

答：計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)主要區(qū)別：計算機控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計算機參與控制的自動控制系統(tǒng),既:用計算機代替模擬控制裝置,對被控對象進行調(diào)節(jié)和控制。與采用模擬調(diào)節(jié)器組成的控制系統(tǒng)相比較，計算機控制系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點：

(1)控制規(guī)律靈活，可以在線修改。(2)可以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，提高系統(tǒng)的性能指標.(3)抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。(4)可以得到比較高的控制精度。(5)能同時控制多個回路，一機多用，性能價格比高。

(6)便于實現(xiàn)控制、管理與通信相結合，提高工廠企業(yè)生產(chǎn)的自動化程度.(7)促進制造系統(tǒng)向著自動化、集成化、智能化發(fā)展。

第二章

2.1.計算機控制系統(tǒng)有哪四種形式的信號？各有什么特點? 答：在計算機控制系統(tǒng)中，通常既有連續(xù)信號也有離散信號，這些信號一般是信息流,而不是能量流。可分為四種形式：⑴ 連續(xù)模擬信號：時間和信號的幅值都是連續(xù)的。

⑵ 階梯模擬信號：時間是連續(xù)的，信號的幅值是階梯形的。⑶ 采樣信號：時間是離散的，信號的幅值是連續(xù)的脈沖信號。

⑷ 數(shù)字信號：信號的時間以及幅值都是離散的，且幅值經(jīng)過了量化處理。

2.2.采樣信號的頻譜和原連續(xù)信號的頻譜有何不同？

答：采樣信號的頻譜和原連續(xù)信號的頻譜的區(qū)別：

①通常，連續(xù)信號帶寬是有限的，頻率的極限值wmax, 它的頻譜是孤立的。采樣信號的頻譜是以ωs為周期的無限多個頻譜所組成。

②∣y(jw)∣和∣y*(jw)∣形狀相似。幅值只差一個比例因子1/T(又稱為采樣增益)。

2.3.計算機控制系統(tǒng)中的保持器有何作用，簡述零階保持器的特點。

答：保持器的原理是根據(jù)現(xiàn)在時刻或過去時刻輸入的離散值,用常數(shù)、線性函數(shù)或拋物函數(shù)形成輸出的連續(xù)值。零階保持器有如下特性：

①低通特性：保持器的輸出隨著信號頻率的提高，幅值迅速衰減。

②相位滯后持性：信號經(jīng)過零階保持器會產(chǎn)生相位滯后，它對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的。

2.4.試求下例函數(shù)的Z變換：(采樣周期為T)答：

（1）f(t)?1(t?T)（2）f(t)???9t?0t?0t?0

F(z)?1z?1 F(z)?9Tz(z?1)?at2

?a（3）f(k)???0k?1k?1,2,3,???k?0?e（4）f(t)???0sin2tt?0t?0

F(z)?za(z?a)F(z)?zez?2ze2?aTsin2Tcos2T?e?2aT?aT

2.5.設函數(shù)的La氏變換如下，.試求它們的Z變換: 答：

（1）F(s)?s?3(s?2)(s?1)（2）F(s)?1(s?5)Tze(z?e2

F(z)??zz?e?2T?2zz?e?T?5T?5T F(z)?)2

（3）F(s)?1s3（4）F(s)?10s(s?1)2

F(z)?Tz(z?1)23 F(z)?10Tz2?10(1?e?T)z?T

2(z?1)（5）F(s)?10

s2?16F(z)?2.5zsin4T2

z?2zcos4T?12.6已知函數(shù)的Z變換如下，.試求它們的y(kT): 答：（1）Y(z)?zz2 ?1ky(kT)?12?(?1)2 2（3）Y(z)?2z(z?1)(z?2)y(kT)??2(?1)k?4(?2)k（5）Y(z)?0.6zz2 ?1.6z?0.6y(kT)?1.5(?0.6)k?1.5(?1)k（7）Y(z)?z?4(1?z?1)2 y(kT)?k?3 2.7求下列函數(shù)的初值和終值：

答：（1）F(z)?2.7z z?0.8y(0)?2.7y(?)?0

(z?1)(z?1)(z?e)2）Y(z)?z(z?1)2

(z?2)y(kT)?2k?1?k

（4）Y(z)?1

z(z?0.2)y(kT)?25(0.2)k

?1（6）Y(z)?1?3z?3z?1(1?0.5z?1)(1?0.8z?1)y(kT)??3530.5k?310.8k6

（8）Y(z)?Te?aTz

(z?e?aT)2y(kT)?kTe?akT

2（2）F(z)?1.6z?zz2

?0.8z?0.5y(0)?1.6y(?)?0

（

作業(yè)二

第三章

3.1 已知差分方程x(kT)?ax(kT?T)?1(kT)，又知x(kT)?0(k?0);?1?a?1.試用Z變換法求x(kT)和x(∞)。

x(kT)?1?a11?ak答：

x(?)?1?a

3.2 已知F(z)?z22z?1.2z?0.2?1 ,試用長除法和Z反變換法求解f(kT)。

答：f(kT)?1?1.2z(?0.2)4?1.24z54?2?1.248z?3?1.2496z?4????

kf(kT)???(?1)

k3.3 已知差分方程y(k?1)?2y(k)?0,y(0)?1，⑴ 用遞推法求y(k)的前三項。⑵ 用反變換法求解y(k)。

答：（1）y(1)??2ky(2)?4y(3)??8

（2）y(kT)?(?2)

3.4 用Z變換法求解下例差分方程: 答：（1）f(k?1)?f(k)?ay(kT)?(?2)kk,f(0)?0

（2）f(k?2)?3f(k?1)?2f(k)?r(k)其中f(0)?f(1)?0，且k?0 時f(k)?0;?0r(k)???1k?0k?0,1,2,???k

f(kT)??k?1?2

（3）y(k)?2y(k?1)?k?1 其中 y(0)?1

10(?2)?1?3k9ky(kT)?

3.5 利用勞斯判據(jù)，決定下列單位負反饋系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定時，K的取值范圍。（1）Gk(z)?K(0.1z?0.08)(z?1)(z?0.7)K(0.1z?0.08)z(z?1)(z?0.7)答：0?K?3.75

(2)Gk(z)? 答：0?K?1.23

3.6 已知下列系統(tǒng)的特征方程，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（1）z?1.5z?9?0 答：系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）z?2z?2z?0.5?0 答：系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）z?1.5z?0.25z?0.4?0 答：系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.7 設離散系統(tǒng)的框圖如圖所示，試確定閉環(huán)穩(wěn)定時K的取值范圍.（其中T=1s,K1=2 T1=1)32322_題圖3.7 單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)框圖

答：

HG(z)?20.736(z?1.717)(z?1)(z?0.368)z?z(0.736K?1.368)?(0.368?1.264K)?0

0?K?0.5

3.8 用長除法或Z反變換法或迭代法求下列閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應。（1）Gc(z)?z?0.53(z?z?0.5)2

答：y(kT)?13r(kT?T)?1316r(kT?2T)?y(kT?T)?0.5y(kT?2T)56y(3T)?76??? 即：y(T)?

y(2T)?

（2）Gc(z)?答： 0.5zz?z?0.52

Y(z)?0.5z?1?z?2?1.25z?3?1.25z?4?1.125z?5?z?6?0.9375z?7????y(0)?0,y(T)?0.5,y(2T)?1,y(3T)?1.25,y(4T)?1.25,y(5T)?1.125 y(6T)?1,y(7T)?0.9375,???

（3）Gc(z)?0.05(z?0.904)(z?1)(z?0.819)?0.05(z?0.904)

答： y(kT)?0.05r(kT?T)?0.045r(kT?2T)?1.769y(kT?T)?0.864y(kT?2T)

y(0)?0,y(T)?0.05,y(2T)?0.183,y(3T)?0.376,???

3.9 開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)如圖所示，試求Y(z)、y(0)、y(∞).已知：E(s)?1s

（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器: u(k)??u(k?1)?e(k?1)

被控對象： Gp(s)?1s

（2）數(shù)字調(diào)節(jié)器: u(k?1)?0.5e(k?1)?0.95e(k)?0.995u(k)

1(s?1)(s?2)被控對象： Gp(s)?答：（1）Y(z)?Tz(z?1)(z?1)z2(z?1)2

y(?)??y(0)?0

（2）Y(z)?[?zz?e?T?z2(z?e?2T)]0.5z?0.95z?0.995

y(?)??45y(0)?0

3.10 設系統(tǒng)如圖所示，試求系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。

_

答：

G(z)?G1(z)G2(z)1?G1(z)G2(z)

3.11 設系統(tǒng)如圖所示，試求:（1）系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。（2）判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）分別求系統(tǒng)對單位階躍輸入和單位斜坡輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差。

_ 答：

（1）GB(z)?1.7z?0.3z?0.7z?0.32

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定。（3）單位階躍輸入

ess?0

單位斜坡輸入時

ess?0.5第四章

4.1 已知系統(tǒng)的運動方程，試寫出它們的狀態(tài)方程和輸出方程：（1）y(3)?5y(2)?y?2y?u?2u ??答：

??x1???0?????x2???0?????2??x3???y??1?10?10??1??5???x1??0?????x2?1u??????x3?????3??

0?x1???0?x2????x3??

（2）y(3)?3y(2)??2y?u

答：

??x1???0?????x2???0????0??x3???y??1?10?20??1??3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

0?x1???0?x2????x3?? ?2u?u

?（3）y(3)?3y(2)??2y?y?u(2)答：

??x1???0?????x2???0?????1? ?x3???y??1?10?20??1??3???x1??1?????x2??1u??????x3????2??

0?x1???0?x2????x3??

4.2 已知下列系統(tǒng)的傳遞函數(shù), 試寫出它們的狀態(tài)方程和輸出方程：（1）G(s)?答：

??x1???0?????x2???0?????5? ?x3????5?3?23?s?2s?53s?6s?9s?15322

10?30??1??2???x1???x2????x3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

y?1?3??

（2）G(s)?答： 5s?2s?3s?2s?532

??x1???0?????x2???0?????5? ?x3???y??2?10?20??1??3???x1??0?????x2?0u??????x3????1??

5?x1???0?x2????x3??2s?1s?7s?14s?832

4.3 已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)?答：

??x1????1?????x2???0????0??x3????1y???3?32? , 試寫出其狀態(tài)方程,使狀態(tài)方程為對角陣。

0?200??0??4???x1??1?????x2?1u??????x3????1??

?x1?7????x2???6???x3??

4.4 已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)?答：

??x1????1?????x2???0????0??x3???y??1?2s?6s?5s?4s?5s?2322 , 試寫出其狀態(tài)方程,使狀態(tài)方程為若當標準型。

1?100??0??2???x1??0?????x2?1u??????x3????1??

1?x1???1?x2????x3??

4.5已知下列離散系統(tǒng)的差分方程為：（1）y(k?2)?3y(k?1)?2y(k)?4u(k)

（2）y(k?2)?5y(k?1)?3y(k)?u(k?1)?2u(k)輸出為y(k)， 試分別寫出它們的狀態(tài)方程和輸出方程。

答：

?x1(kT?T)??0?????x2(kT?T)???2y(kT)??11???3??x1(kT)??0??????u(kT)?x2(kT)??4?（1）

?x1(kT)?0????x2(kT)?

（2）

?x1(kT?T)??0?????x2(kT?T)???3y(kT)??11???5??x1(kT)??1??????u(kT)?x2(kT)???3?

?x1(kT)?0????x2(kT)?

4.6 已知離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)G(z)?態(tài)方程。

答：直接程序法

?x1(kT?T)??0????x2(kT?T)????6y(kT)???51???5??x1(kT)??0??????u(kT)x2(kT)???1?z?2z?1z?5z?622 ,試分別用直接程序法和分式展開法求系統(tǒng)的離散狀

?x1(kT)??3????u(kT)x2(kT)??

分式展開法

?x1(kT?T)???2????x2(kT?T)???0y(kT)??10???3??x1(kT)??1??????u(kT)x2(kT)???1?

?x1(kT)??4????u(kT)x2(kT)??

?4.7 求解下系統(tǒng)的時間相應。已知：X??答：

1???x1(t)???????3?4t3?

e??x2(t)??44??0??30??1?X?????(t), 初始狀態(tài)X(0)=0 ?4??0?

4.8 設系統(tǒng)的狀態(tài)方程：X(k?1)?FX(k)?Gu(k)y(k)?CX(k)

?0F????0.161??1?,G????,C??1?1??1?0?

已知輸入：u(k)=1 ,(k≥0)?x1(0)??1?X(0)? 初始狀態(tài): ?????

?x2(0)???1?試求：（1）系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F；(2)狀態(tài)方程的解X(k)；(3)系統(tǒng)的輸出y(k)。

答：（1）

?4(?0.2)?(?0.8)?3??kk??0.8(?0.2)?0.8(?0.8)?3?kkk?(kT)?Fk5(?0.2)?5(?0.8)??3?

kk?(?0.2)?4(?0.8)??3?kk

（2）

?x1(kT)??3.185(?0.8)?2.83(?0.2)?1.389?? ????kkx2(kT)?1.956(?0.8)?0.567(?0.2)?0.389????kk（3）

y(kT)?x1(kT)?3.185(?0.8)?2.83(?0.2)?1.389

kk

?1X(k?1)??4.9 已知離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式，?0.2y(k)??10.5??1.2??X(k)???u(k)1?0.5，初始狀態(tài)X(0)=0 ??0?X(k)試求系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù): G(z)?答：

G(z)?Y(z)U(z)?Y(z)U(z)

1.2z?0.95z?2z?0.92

?0.44.10 已知離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程: X(kT?T)???0.6?0.6??0.6?試判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。?X(kT)???u(kT)，0.6?0.4??答：系統(tǒng)穩(wěn)定。

作業(yè)三

第五章

5.1已知連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù):（1）G(s)?2(s?1)(s?2)；（2）G(s)?s?as(s?b)，試用沖擊不變法﹑階躍不變法﹑零極點匹配法﹑雙線性變換法、差分變換法，將上述傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為等效的Z傳遞函數(shù).取采樣周期T=0.1s.答：

（1）沖擊不變法 G(z)?2zz?ea?T?2zz?e??2T

z(z?1)a?bb2（2）階躍不變法 G(z)?Tz2b?ab2b(z?1)?zz?e?bT

5.2 已知比例積分模擬調(diào)節(jié)器D(s)=Kp+Ki/s ,試用后向差分法和雙線性變換法求數(shù)字調(diào)節(jié)器D（z）及其控制算法。

答：后向差分法 D(z)?Kp?

雙線性變換法 D(z)?Kp?z?0.7z?0.2KiT(z?1)2(z?1)KiTzz?1

5.3 已知Z傳遞函數(shù)G(z)?答：

G(ej?T ,試分析其頻率特性，并判斷它是低通濾波器還是高通濾波器。)?eej?Tj?T?0.7?0.222

G(ej?T

?(?)??tg?1)?(cos?T?0.7)?sin?T(cos?T?0.2)?sin?T22sin?Tcos?T?0.7?tg?1sin?Tcos?T?0.2

具有高通特性。

5.4 已知系統(tǒng)的差分方程為: y(k)?0.8y(k?1)?x(k)?2x(k?1), 其中x(k)為輸入序列，y(k)為輸出序列.試分析其頻率特性.答：

G(ej?T)?eej?T?2?0.822j?T

G(ej?T

2)?(cos?T?2)?sin?T(cos?T?0.8)?sin?T2?(?)??tg?1sin?Tcos?T?2?tg?1sin?Tcos?T?0.8

具有高通特性。

5.5 已知低通濾波器D(z)?0.5266zz?0.4734 , 求D（z）的帶寬ωm..取采樣周期T=2ms。

答： ?m?695弧度/s

5.6 已知廣義對象的Z傳遞函數(shù)HG(z)?0.05(z?0.7)(z?0.9)(z?0.8),試設計PI調(diào)節(jié)器D(z)=Kp+Ki/(1-z)，使

-1速度誤差ess=0.1，取采樣周期T=0.1s。答： D(z)?2.115?

5.7 已知D(s)?1?0.15s0.05s0.2351?z?1 ,寫出與它相對應的PID增量型數(shù)字控制算法。

答： ???u(kT)?20Te(kT)?3e(kT)?3e(kT?T)?u(kT)?u(kT?T)??u(kT)

第六章

6.1 試述在最少拍設計中，系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)和誤差Z傳遞函數(shù)Ge(z)的選擇原則。

答：最少拍設計中，系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)和誤差Z傳遞函數(shù)Ge(z)的選擇原則：（1）為了保證D(z)的可實現(xiàn)性，應選擇Gc(z)含有HG(z)的Z-r因子。

（2）為了保證D(z)的穩(wěn)定性，應選擇Gc(z)具有與HG(z)相同的單位圓上(除Z＝l外)和單位圓外的零點。

?1（3）為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應選擇Ge(Z)含有(1?piz)的因子，pi是HG(z)的不穩(wěn)定的極點。因為： Gc(z)?D(z)HG(z)Ge(z)只能用Ge(z)的零點來抵消HG(z)中不穩(wěn)定的極點.m（4）為了使調(diào)節(jié)時間最短(最少拍)，應選擇Ge(z)中含有(1-Z-1)因子(m＝l，2，3)是典型輸入信號Z變換R(z)中分母的因子。（5）保持Ge(z)與Gc(Z)有相同的階次。Gc(z)?1?Ge(z)

6.2 最少拍控制系統(tǒng)有哪幾種改進設計方法。

答：最少拍控制系統(tǒng)改進設計方法有：

調(diào)節(jié)器的設計方法的改進:慣性因子法，延長節(jié)拍法，換接程序法。

6.3 已知不穩(wěn)定的廣義對象：HG(z)?2.2z?1?11?1.2z, 試設計單位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器。

答：D(z)??0.2z?1.22.2(z?1)

6.4 已知的廣義對象Z傳遞函數(shù): HG(z)?最少拍無波紋調(diào)節(jié)器。

答：

D(z)?0.83(1?0.286z1?0.78z?1?10.265z?1(1?2.78z?1?1)(1?0.2z?1?1)(1?z)(1?0.286z)，試設計單位階躍作用下的)?2?0.12z

6.5 設系統(tǒng)的結構如下圖所示，被控對象Wd(s)?位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器D(z)。

10s(1?0.1s)(1?0.05s),采樣周期T=0.2s , 試設計單_

答：

HG(z)?0.761z(1?z?1

(1?1.133z?1?1)(1?0.047z)(1?0.135z?1?1?1)?1

D(z)?)(1?0.018z?1)

0.616(1?0.018z(1?0.531z?1)(1?0.135z?1))(1?0.047z)

6.6 已知被控對象G(s)?1s(s?2),采用零階保持器，采樣周期 T=0.1s.試用W變換法設計數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求相位裕度γ=50°,幅值裕度Kg>10dB,速度穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)Kv=5s

-1。

_

答：

GK(z)?0.018K(z?1)(z?1)(z?0.819)5w(1?12w)?1GK(w)?D(w)?1?0.622w1?0.305w

D(z)?1.92(1?0.851z(1?0.714z?1))

6.7 已知被控對象的傳遞函數(shù)G(s)?e?10s100s?1e?10s，取采樣周期 T=5s.試用大林算法設計數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Gc(s)?20s?1?1。

答： D(z)?

4.51(1?0.951z1?0.779z?1)?3?0.221z