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《運(yùn)動控制系統(tǒng)》教案

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《運(yùn)動控制系統(tǒng)》教案

教學(xué)內(nèi)容1. 微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)2. 微機(jī)數(shù)字控制雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件教學(xué)目的掌握微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn),熟悉數(shù)字量化及采樣 頻率的設(shè)計(jì)方法、狀態(tài)檢測的基本方法。了解微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu)。教學(xué)重點(diǎn)微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的特點(diǎn),數(shù)字量化及采樣頻率的選 擇。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件和硬件的結(jié)構(gòu)建議學(xué)時2學(xué)時教學(xué)教具與方法PPT演示軟件教案3.1微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的主要特點(diǎn)模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點(diǎn),但控制規(guī)律體現(xiàn) 在碩件電路和所用的器件上,因而線路復(fù)雜、通用性差,控制效果受到器件的 性能、溫度等因素的影響。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高,制作成本低,且不受器件溫 度漂移的影響:其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算,更改起來靈活方便。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化:1)在具有一定周期的采樣時刻對模擬的連續(xù)信號進(jìn)行實(shí)時采樣,形成一 連串的脈沖信號,即離散的模擬信號,這就是離散化。2)經(jīng)過數(shù)字量化,即用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號的 幅值,將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,這就是數(shù)字化。離散化和數(shù)字化的結(jié)負(fù)面效應(yīng):時間上和量值上的不連續(xù)性。1)產(chǎn)生量化誤差,影響控制精度和平滑性。2)提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次,使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小,甚至?xí)?破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.1.1數(shù)字量化量化的原則:在保證不溢出的前提下,精度越高越好??捎么鎯ο禂?shù)K來 顯示量化的精度例題3-1。3.1.2采樣頻率的選擇香農(nóng)(Shannon)采樣定理。實(shí)際信號的最高頻率很難確定,對非周期性信號(系統(tǒng)的過渡過程)來說,其頻譜為0至8的連續(xù)函數(shù),最高頻率九理論上為無窮大。因此,難以直接 用采樣定理來確定系統(tǒng)的采樣頻率。在一般情況卞,可以令采樣周期Txam幾山為控制對象的最小時間常數(shù)。(4 10)3.1.3微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入與輸出變量可以是模擬量,也可以是數(shù)字量。1. 系統(tǒng)給定系統(tǒng)給定有兩種方式:模擬給定和數(shù)字給定。2. 狀態(tài)檢測系統(tǒng)運(yùn)行中的實(shí)際狀態(tài)量,例如轉(zhuǎn)速、電壓和電流等,在閉壞控制時,應(yīng) 該反饋給微機(jī),因此必須首先檢測出來。轉(zhuǎn)速檢測:模擬和數(shù)字兩種檢測方法,包含了轉(zhuǎn)速的大小和方向。電流和電壓檢測:電流和電壓檢測除了用來構(gòu)成相應(yīng)的反饋控制外,還是 各種保護(hù)和故障診斷信息的來源。極性轉(zhuǎn)換:由于多數(shù)AQ轉(zhuǎn)換電路只是單極性的,必須將雙極性的電壓信 號轉(zhuǎn)換為單極性電壓信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到以偏移碼表示的數(shù)字量送入微 機(jī)。但偏移碼不能直接參與運(yùn)算,必須用軟件將偏移碼變換為原碼或補(bǔ)碼,然 后進(jìn)行閉環(huán)控制。3. 輸出變量用開關(guān)量直接控制功率器件的通斷,也可以用經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量去 控制功率變換器。隨著電機(jī)控制專用單片微機(jī)的產(chǎn)生,前者逐漸成為主流。3.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件微機(jī)數(shù)字控制的雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,圖3-3。3.2.1微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流PVM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),圖3-4o1.0生逋fu按H保 護(hù)A D敦.動電K51. 主回路三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源,再經(jīng)過直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓,給直流電動機(jī)供電。2. 檢測回路檢測回路包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測,其中電壓、電流和溫度檢測 由A/D轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī),轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速。3. 故障綜合對電壓、電流、溫度等信號進(jìn)行分析比較,若發(fā)生故障立即通知微機(jī),以 便及時處理,避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。4. 數(shù)字控制器專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列單片微機(jī), 本身都帶有AQ轉(zhuǎn)換器、通用DO和通信接II,還帶有一般微機(jī)并不具備的故 障保護(hù)、數(shù)字測速和PWM生成功能。3.2.2微機(jī)數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件框圖微機(jī)數(shù)字控制雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序和中斷 服務(wù)子程序等。1. 主程序:主程序完成實(shí)時性要求不高的功能,完成系統(tǒng)初始化后,實(shí) 現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外設(shè)通信等功能。主程序框圖,圖3-5。開始2. 初始化子程序:完成碩件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量 的初始化等。初始化子程序框圖,圖3-6。中斷服務(wù)子程序:完成實(shí)時性強(qiáng)的功能,如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài) 檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請,CPU實(shí)時響 應(yīng)。三種中斷服務(wù)中,故障保護(hù)中斷優(yōu)先級別最高,電流調(diào)節(jié)中斷次之,轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)中斷級別最低。教學(xué)內(nèi)容數(shù)字測速教學(xué)目的掌握三種基本的數(shù)字測速方法,各自的特點(diǎn)、性能指 標(biāo)及應(yīng)用場合。教學(xué)重點(diǎn)數(shù)字測速指標(biāo):分辨率、誤差率。 M法測速,T法測速,M,T法測速建議學(xué)時1.5學(xué)時PPT演示軟件教學(xué)教具與方法3.3數(shù)字測速檢測光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖,然后計(jì)算轉(zhuǎn)速,有三種數(shù)字 測速方法:即H法、T法和M/T法。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元 件,旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)相連,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時,帶動碼盤旋轉(zhuǎn),便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn) 角信號,圖3-10o-3.3.1數(shù)字測速指標(biāo)1. 分辨率改變一個計(jì)數(shù)字所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化童來表示分辨率,用符號Q表示。轉(zhuǎn)速由心變?yōu)樾臅r,引起記數(shù)值改變了一個字,則該測速方法的分辨率是Q = n2-nl. Q越小,說明該測速方法的分辨能力越強(qiáng)。2. 測速誤差率轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測量值之差山與實(shí)際值之比定義為測速誤差率,<% = xlOO%,測速誤差率反映了測速方法的準(zhǔn)確性,5%越小,準(zhǔn)確度n越高。3.3.2 M法測速測取7;時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)用以計(jì)算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速,稱作M法測速,圖3-llonLnLnLnmLnb;-nmLnLnL電機(jī)的轉(zhuǎn)速為二60MZTcm法測速的分辨率:e=60(A/i+1)-60Mi -60ZTc ZTcM法測速誤差率:60M60(M 1)7T zri=廠 X100% =X100%max60冏A/】ZTCM法測速適用于高速段,3.3.3 T法測速記錄編碼器兩個相鄰輸出脈沖的間的高頻脈沖個數(shù)M2, f0為高頻脈沖頻率,圖3-12oIVm2Tt=M2/fQ>11!|一Tc!電機(jī)轉(zhuǎn)速"竺=如r/mmZT; ZM2T法測速的分辨率:60人 60九一 60人_靳ZM60/。-T法測速誤差率:6O/ox 0/_ Z(M2-1)"max 0 w60/。7M2max。必T法測速適用于低速段。334 M/T法測速把M法和T法結(jié)合起來,既檢測Tc時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)Mi, 又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)業(yè),用來計(jì)算轉(zhuǎn)速,稱作M/T法測速。 釆用M./T法測速時,應(yīng)保證高頻時鐘脈沖計(jì)數(shù)器與旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)器 同時開啟與關(guān)閉以減小誤差。電機(jī)轉(zhuǎn)速心沁=皿詭nzrt zm2圖3T3r教學(xué)內(nèi)容數(shù)字PI調(diào)節(jié)器教學(xué)目的掌握數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法及其軟件的實(shí)現(xiàn),數(shù)字 PI的改進(jìn)的方法。教學(xué)重點(diǎn)模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化,位置式和增量式算法。 改進(jìn)的數(shù)字PI算法:積分分離算法。建議學(xué)時1.5學(xué)時PPT演示軟件教學(xué)教具與方法3.4字PI調(diào)節(jié)器3.4.1模擬PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中,當(dāng)采樣頻率足夠高時,可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器,然后再離散化,就可以得到數(shù)字控制器的算法,這就是模擬 調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。U(s) K 刃査+ 1PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)=云彳=七一時域表達(dá)式口J寫成"(/) = K,(/) += Kpe(t) + K11e(t)dt,Kp = S 為比例系數(shù),K產(chǎn)為積分系數(shù)。離散化成差分方程,人“”,為采樣周期,其第拍輸出為"(燈=K peg + K “sam 丫曲)=K peg + u (k)Z=1=KPe(k) + K i Tsame(k ) + uI(k-1)上式為位置式算法: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) 過去所有偏差的累積。增量式PI調(diào)節(jié)器算法:訛)=u(k) - ”伙 -1) = Kpe(k) - e(k-1)+ K,Tsame(k)u(k) = u(k -1) + Au(k)增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出的偏差量、增屋式pi調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅,而位置式算法必須同時設(shè)枳分限幅和 輸出限幅,缺一不可。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)程序框圖,圖3-17o益微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算能力,充分應(yīng)用這些能 力,可以衍生出多種改進(jìn)的PI算法,提高系統(tǒng)的控制性能。1.積分分離算法把P和I分開。當(dāng)偏差大時,只讓比例部分起作用,以快速減少偏差;當(dāng) 偏差降低到一定程度后,再將積分作用投入,既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差,又能避 免較大的退飽和超調(diào)。這就是積分分離算法的基本思想。積分分離算法表達(dá)式為"(燈=K/(燈+C=<&為一常值。積分分離法能有效抑制振蕩,或減小超調(diào),常用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

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