控制机毕业设计论文(编辑修改稿)

控制机毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

ControlNet相连，利用 网络来实现其远程控制功能。 开环控制系统 开环控制系统 (openloop control system)是指被控对象的输出 (被控制量 )对控制器 (controller)的输出没有影响。 在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 江西理工大学本科生毕业设计（论文） 5 闭环控制系统 闭环控制系统 (closedloop control system)的特点是系统被控对象的输出 (被控制量 )会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。 闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则 称为负反馈 ( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。 闭环控制系统的例子很多。 比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。 如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。 另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入 （ step function） 加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。 控制系统的性能可以用稳、准、快三个字 来描述。 稳是指系统的稳定性 (stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控 制精度，通常用稳态误差来 (Steadystate error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。 PID控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的 调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID调节。 PID控制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。 PID控制，实际中也有 PI和 PD控制。 PID控 制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例 （ P） 控制：一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 （ Steadystate error）。 积分 （ I） 控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统 （ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分 项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，江西理工大学本科生毕业设计（论文） 6 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分 （ D） 控制：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作 用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被 控过程 的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对 控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 因配料系统需要增减少补，故本设计采用闭环控制系统进行差值比较、反馈、补偿。 采样模块 — A/D 转换 器 A/D 转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。 一个完整的 AD 转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。 在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。 例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。 量化和编码是在转换过程中同步实现江西理工大学本科生毕业设计（论文） 7 的，而且所用的时间又是保持的一部分。 采样定理 如 图 2. 2是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。 为了保证能从采样信号中将原信号 恢复，必须满足条件 (21) 其中 f s为采样频率， f i(max) 为信号 u i 中最高次谐波分量的频率。 这一关系称为采样定理。 AD 转换器工作时的采样频率必须大于等于式 （ 21） 所规定的频率。 采样频率越高，留给每次进行转换的时间就越短，这就要求 AD 转换电路必须具有更高的工作速度。 因此，采样频率通常取 fs=(35)fi(max) 已能满足要求。 图 2. 2 采样波形 采样保持电路 图 2. 3所示的是一个实际的采样保持电路 ，图中 A 1 、 A 2 是两个运算放大器， S 是模拟开关， L 是控制 S 状态的逻辑单元电路。 采样时 令 u L =1 ， S 随之闭合。 A 1 、 A 2 接成单位增益的电压跟随器，故 uo=uo39。 =u i。 同时 uo39。 通过 R 2 对外接电容 C h 充电，使 u ch =u i。 因电压跟随器的输出电阻十分小，故对 C h 充电很快结束。 当 u L =0 时， S断开，采样结束，由于 u ch 无放电通路，其上电压值 基本不变，故使 u o 得以将采样所得结果保持下来。 图中还有一个由二极管 D 1 、 D 2 组成的保护电路。 在没有 D 1 和 D 2 的情况下，如果在 S 再次接通以前 u i 变化了，则 uo39。 的变化可能很大，以致于使 A 1 的输出进入非线性区， uo39。 与 u i不再保持线性关系，并使开关电路有可能承受过高的电压。 接入 D 1 和 D 2 以后，当 uo39。 比 uo所保持的电压高出一个二极管的正向压降时， D 1 将导通， uo39。 被钳位于 u i+ U D1。 这里的 U D1 表示江西理工大学本科生毕业设计（论文） 8 二极管 D 1 的正向导通压降。 当 uo39。 比 uo低一个二极管的压降时，将 uo39。 钳位于 u i U D2。 在 S 接通的情况下，因为 uo39。 uo，所以 D 1 和 D 2 都不导通，保护电路不起作用。 图 2. 3 采样保持电路 量化与编码 为了使采样得到的 离散的模拟量与 n 位二进制码的 2n 个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到 2n个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为 量化。 量化后的值再按数制要求进行 编码 ，以作为转换完成后输出的数字代码。 量化和编码是所有 AD 转换器不可缺少的核心部分之一。 数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。 这就是说，在进行 AD 转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做 量化单位 ，用△表示。 若数字信号最低有效位用 LSB 表示， 1LSB 所代表的数量大小就等于△，即模拟量量化后的一个最小分度值。 把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。 这些代码就是 AD 转换的结果。 既然模拟电压是连续的，那么它就不一定是△的整数倍，在数值上只能取接近的整数倍，因而量化过程不可避免地会引入误差。 这种误差称为 量化误差。 A/D 转换器的分类 按转换过程， AD 转换器可大致分为直接型 AD 转换器和间接 AD 转换器。 直接型 AD 转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变 量。 常用的电路有并行比较型和反馈比较型两种。 间接 AD 转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间 T 或频率 F ，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。 AD 转换器的大致分类如 图2. 4所示。 江西理工大学本科生毕业设计（论文） 9 图 2. 4 转换器 AD 转换器的转换精度与转换时间  AD 转换器的转换精度 在单片 AD 转换器中，也用分辨率和转换误差来描述转换精度。 分辨率是指引起输出二进制数字量最低有效位变动一个数码时，输入模拟量的最小变化量。 小于此最小变化量的输入模拟电压，将不会引起输出数字量的变化。 也就是说， AD 转换器的分辨率，实际上反映了它对输入模拟量微小变化的分辨能力。 显然，它与输出的二进制数的位数有关，输出二进制数的位数越多，分辨率越小，分辨能力越高。 但超出了 AD 转换器分辨率的极限值，再增加位数，也不会提高分辨率。 转换误差通常以相对误差的形式给出，它表示 AD 转换器实际输出的数字量与理想输出的数字量之间的差别，并用最低有效位 LSB 的倍数来表示。  转换时间 表示完成一次从模拟量到数字量之间的转换所需要的时间，它反映了 AD 转换器的转换速度。 例如，逐次比较型的 AD0801 ～ 0803 、 0808 ～ 0809 的转换时间为 100μs ； AD571 为 25μs ； AD574 为 35μs ； AD578 为 μs。 双积分 AD 转换器的转换时间一般在几十至一、二百毫秒。 本系统模 /数转换器选择 根据以上各项指标和本系统实际需求，可选择主芯片 ARM7上自带的 10位 A/D转换器，直接把输入模拟信号转换为实际所需的数字信号。 检测模块 — 称重传感器 准确度、稳定性和可靠性是称重传感器的重要质量指标，是广大用户最关心的三大问题，同时也是我国称重传感器与工业发达国家同类产品相比较的主要差江西理工大学本科生毕业设计（论文） 10 距。 其中稳定性是基础，没有稳定性谈何称量准确 度和工作可靠性。 在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国 标有质的差异。 传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。 旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。 旧国标共有 21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差 6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用 、 、 ......。 衡器上使用的一种力传感器。 它能将作用在被测物体上的重力按一定比 例转换成可计量的输出信号。 考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。 在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。 国际法制计量组织 (OIML)规定，传感器的误差带 δ占衡器误差带Δ的 70％ ，称重传感器的。