角位移自动控制系统设计报告

引言位置随动系统是各种导航系统、大型雷达设施以及一些控制系统重要组成部分，因此，位置随动系统系统的研究就成为极为重要的课题。

自整角机是一种感应式自同步微电机，由于它在军事系统中的普遍使用而得到了广泛发展。

现在的自整角机已经能够满足很高的准确度要求，并能在很宽的温度、湿度、振动和冲击环境条件下正常工作，因而这种机电式传感器（自整角机）在位置随动系统中被广泛的采用。

位置随动系统应用广泛，尤其是基于自整角机的位置随动系统，根据教学任务安排，课程设计作为实验教学的重要环节，能够很大程度的提高我们的分析问题和解决问题的能力。

由于本人水平有限，课程设计中错误和不当之处在所难免，期望老师批评指正。

沈阳大学1 位置随动系统简介1.1 位置随动系统的组成1.1.1位置随动系统的定义位置随动系统最常见的是伺服系统（Servo-mechanism）。

广义的伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称为位置控制系统。

在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义的应用于利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是输出的机械位移准确地实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确追踪[1]。

1.1.2位置随动系统的组成位置随动系统的结构和组成与其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

图1为一个典型的位置控制系统的基本组成，可以看出，这个系统由以下几部分组成：位置给定位置调节器速度控制器执行电机工作台位置检测图1 典型位置随动系统原理框图（1）位置检测器。

位置检测器的作用是将位置量参数转换为电信号，由仪表转换为数据指示，形成反馈通道给控制器提供决策的依据。

位置检测器可用光电编码器、旋转变压器、感应同步器等。

（2）位置调节器。

根据位置偏差信号实现位置的精确控制。

（3）速度控制器。

（4）可逆功率放大器。

（5）执行机构。

永磁式直流伺服电机SM作为带动负载的执行机构[1]。

1.1.3位置控制系统的分类采用不同的分类方法，可以得到不同类型的位置随动系统：（1）按控制原理（或方式）不同，表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式。

收稿日期:2019-08-13 修回日期:2019-12-16基金项目:陕西省科技工业攻关项目(2013K 07-12);陕西省教育专项研究计划项目(17JK 0049;04JK 167)作者简介:谢国坤(1978-),女,研究生,讲师,研究方向为传感器技术及智能算法㊂角度自动控制系统的设计谢国坤(西安交通工程学院电气工程学院,陕西西安710300)摘　要:为了实现对帆板角度快速准确的调节,以单片机为核心控制器设计了一款角度自动控制系统㊂利用MPU 6050三维角度传感器实时采集角度信息,并采用LCD 1602液晶显示器将角度信息实时显示㊂为了能够精确地控制电机的转速,选取PID 控制算法的反馈调节机制控制电机,使角度误差最快减为零的PWM 占空比,单片机采用定时器中断产生的PWM 波实现对电机转速的控制,使得电机快速响应㊂如果调节的角度大于已设定的阈值,那么将会触发声光报警㊂利用simulink 软件搭建PID 模型,根据电机转速的变化曲线选定PID 控制器参数,结合Proteus 和keil 软件仿真电路原理图,并对系统实物制作㊂实物测试与仿真结果表明,系统采用PID 算法可以实现对角度的快速调节,系统响应时间小于3s ,角度调节的最大相对误差小于5%,该系统实时调节性能较快,具有良好的稳定性㊂关键词:STC 89C 52;角度调节;PWM 波占空比;传感器中图分类号:TN 602 文献标识码:A 文章编号:1673-629X (2020)07-0210-05doi :10.3969/j.issn.1673-629X.2020.07.043Design of Angle Automatic Control SystemXIE Guo -kun(School of Electrical Engineering ,Xi ’an Traffic Engineering Institute ,Xi ’an 710300,China )Abstract :In order to realize the quick and accurate adjustment of windsurfing Angle ,an automatic Angle control system is designed with the single -chip microcomputer as the core controller.The MPU 60503d Angle sensor is used to collect the Angle information in real time ,and the LCD 1602LCD is used to display the Angle information in real time.In order to accurately control the motor speed ,the feedback adjustment mechanism of PID control algorithm is selected to control the motor ,so that the Angle error can be reduced to zero as soon as possible ,PWM duty cycle.Single -chip microcomputer uses the PWM wave generated by timer interrupt to control the motor speed ,so that the motor can respond quickly.If the adjustment Angle is greater than the set threshold value ,the sound and light alarm will be ing simulink software to build the PID model ,PID controller parameters are selected according to the variation of motor speed curve ,combined with electrical schematic diagram and Proteus keil software simulation ,and the system physical production.Physical test and the simulation result show that this system with PID algorithm can realize the rapid adjustment of Angle ,whose response time is less than 3s and maximum relative error of Angle adjustment is less than 5%.The system has fast real -time regulation performance and strong stability.Key words :STC 89C 52;Angle adjustment ;PWM wave duty cycle ;sensor0　引　言进入21世纪以来,曾支撑了整个20世纪人类文明高速发展的石化能源在千禧年之后出现了日趋严重的危机,其储藏量被疯狂开采后不断锐减,同时也带来了严重的环境问题㊂而太阳能是目前自然界已知存储量最大的清洁能源,但由于开采利用技术的不成熟,导致能源的严重浪费㊂随着近年来,新型数字化技术和自动化控制技术在生产领域的广泛应用,以及数字信号处理技术的不断成熟,自动控制技术越来越多地被应用到生产生活领域㊂文献[1]中,选用单片机STC 89C 52作为角度控制系统的主控制器,该系统采用按键模式设置帆板角度,采用PID 控制器调节电机快速响应㊂文献[2]中,以51单片机为核心,通过霍尔式角度传感器检测帆板倾斜的角度,利用PWM 脉冲调制电机转动㊂文献[3]中,采用STC 芯片作为处理器,结合PID 算法和PWM 脉冲控制电机转速㊂文中主要以STC 89C 52单片机作为核心器件,利用MPU 6050检测电机旋转角度,应用第30卷　第7期2020年7月 计算机技术与发展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT Vol.30　No.7July　2020增量式PID算法,实现电机根据光照角度的变化,使电机快速响应,且设置了显示模块和按键模块,可实时监测电机旋转角速度,采用按键实现了手动和自动两种操作模式的切换㊂1　硬件设计1.1　系统硬件的组成该设计采用STC89C52作为角度自动控制系统的主控制器件,另外,包括MPU6050角度检测㊁电机驱动㊁光强检测㊁LCD液晶显示和按键等功能模块,根据这些模块可实现帆板的实时控制㊂该系统的结构框图如图1所示㊂图1　系统总框图由图1可知,根据光照检测模块实时检测光照角度值,同时,MPU6050角度传感器将实时检测到的角度信号通过A/D转换获得帆板角度信息,并实时显示在LCD1602液晶显示屏上㊂在软件设计中,结合PID 算法,通过单片机控制PWM波的输出,快速准确地控制电机驱动帆板转动,若调节角度大于180°时,则触发报警;另外,需要利用按键模块在手动模式和自动模式之间切换,从而可调节帆板角度㊂1.2　硬件电路设计根据系统框图设计系统电路原理图㊂系统主要采用STC89C52单片机作为主控制器,其中角度测量电路主要采用GY-521MPU6050模块三维角度传感器, MPU-6050还有第二个I2C端口以方便连接51单片机的其他模块㊂工作电压一般为3V~5V的直流电,此外,MPU-6050的角速度全格感测范围为+250~ -250°/sec和+500~-500°/sec,最大可达到+1000~ -1000°/sec,具有极大的转动广角,可快速追踪转动动作进行实时的测量调控㊂采集到的兹角度可通过卡尔曼滤波器处理,卡尔曼滤波器在许多领域具有广泛的应用,包括机器人导航与控制㊁雷达跟踪系统等,近年来还被应用于计算机图像处理,如视频图像跟踪等㊂MPU6050角度传感器SCL时钟线㊁SDA数据线分别与单片机的P3.2㊁P1.4连接进行IIC通信㊂SCL 为高电平时,当SDA由高电平向低电平跳变时,开始传送数据㊂SCL为高电平时,当SDA由低电平向高电平跳变时,结束数据传送[4-6]㊂电机驱动电路主要采用ULN2803步进电机驱动,因为STC89C52输出的电压一般为5V,不足以带动步进电机驱动,所以需要采用ULN2803加以驱动[6]㊂驱动模块ULN2803的8位输入分别与STC89C52的D 口8位输出相连;而8位输出分为两组,目的是可同时连接两个步进电机㊂其接法比较简单,按照要求输入㊁输出㊁电源和地线分别相连即可,电源选用+5V㊂使用ULN2803驱动电机时,当输入信号为高电平时,输出导通为低电平;输入为低电平时,则不导通㊂光强检测模块采用简单的光敏电阻排列[7-9],将光强转换为数字信号,通过I2C总线接口与主控芯片通信,通过程序性的比较,选择最大平均光强,单片机主控模块对其他模块进行控制㊂通过积分式A/D转换器将流经光敏二极管的电流积分转换为数字量,该数字输出表示测量每一个方向上的光强[7]㊂输出的数字信号作为STC89C52微处理器的一个输入信号,从而满足该系统的光采集和转换任务㊂在实物设计中,选用PCF8591获取数据,其是一个单片集成的低功耗器件,主要完成数据转换[8]㊂在本系统中,PCF8591与单片机相连时,需接四个10k 的上拉电阻,用于保护光敏检测模块[10-12]㊂PCF8591中的A/D转换将测得的平均光强等模拟信号,转变为数字信号送入单片机,进行对比确定光源方向[13]㊂I2C总线接口分别接主控芯片的P1.0和P1.1接口用以与单片机进行通信㊂显示电路采用常用的LCD1602液晶屏进行实时显示,以串行的方式与单片机进行通信,串行数据端口RS与单片机的P1.4相连,用于给显示器传输指令和数据㊂读写引脚RW和单片机的P1.3口相连,控制液晶的读写数据[14]㊂数据的传输通过单片机P1口实时传输给显示器㊂在实际连接LCD1602液晶显示时,LCD1602分为有背光和无背光㊂存在背光情况时,需连接V0引脚调整背景光对比度,单片机的P16引脚可实现对显示屏背景光的亮度调整㊂按键电路外围五个按键,可以实现帆板在上下左右对方向上的调节㊂其中,S5按键实现对系统工作模式的切换,两个发光二级管绿色表示在自动模式下工作,红色表示在手动模式下工作;在手动模式下,上下左右四个方向的按键分别与STC89C52的P3.5㊁P3.3㊁P3.4㊁P3.6引脚连接,可实现帆板的转动[15]㊂在设计功能指示灯时,为了保护发光二极管电流过大,连接了1kΩ的分压电阻㊂在软件设计中,按键㊃112㊃　第7期 谢国坤:角度自动控制系统的设计选用软件消抖,即增加一个循环延迟,增加按键的接触反应时间,使得按键的效果更加稳定㊂为了能够精确地控制电机的转速,选取PID 控制算法的反馈调节机制控制电机,使角度误差最快减为零的PWM 占空比,单片机采用定时器中断产生的PWM 波实现对电机转速的控制,使得电机快速响应[16]㊂2　PID 算法设计为了使电机能够跟随条件实时改变转速,且响应速度稳定,可选用PID 控制算法对电机进行转速调制㊂PID 控制算法不需要对控制对象建立相应的具体模型,只需要根据经验对调节器的误差及误差变化率等参数在线调整,从而使控制对象的适应性和灵活性增强[13]㊂在自动角度控制系统中,采用PID 算法调节电机转动角度,使得电机根据设定条件快速响应,使得帆板光照接触面达到最大,且响应过程稳定性能较好,可以实现自动角度检测系统的设计[17]㊂根据采集光照信息转换的角度值,结合PID 控制器中的积分器控制,使得响应与激励的积分存在正比例的关系,从而实现消除稳态误差的功能㊂根据本系统功能和设计要求,采用数字增量式PID 控制器设计,该控制器的计算公式如下:Δu =K p [e (k )-e (k -1)]+K i e (k )+K d [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]其中,K p ㊁K i 和K d 表示PID 控制器的比例㊁积分和微分系数,e 为转速误差[3]㊂本系统根据设定转速,比例项K p 的调节可以快速提取转速误差,积分项K i 可以使电机的转速与设定阈值一致,保证静差为零,微分项K d 可以对电机在下个周期的输出信号进行预测,从而快速提高系统的响应速率㊂利用simulink 软件搭建的PID 控制仿真模型如图2所示㊂图2　PID 控制仿真 在图2中,PID 控制模型主要包括PID 控制器模块㊁直流电机模块㊁可控电源模块以及对各节点输出信号检测的示波器㊂在该模型中,利用可控电压源输出信号的大小模拟PWM 波形来实现对电机转速的调节,其输出引脚分别与电机的电枢绕组引脚A +㊁A -和磁力绕组引脚F +和F -连接;为了模拟负载的大小,在电机的TL 端加入了一阶跃信号,信号的仿真时间表示加入负载时长;通过电机输出端引脚m 可以输出电机旋转角速度㊁转矩㊁电枢和励磁电流信号等状态量,电机转速阈值设定为500rad /s ,通过电机的m 引脚传输电机相关的状态变量,其中包括电机的旋转角速度,图2中利用示波器2可实时监测电机的转速㊂PID 控制器参数的设定可根据不同的算法计算得到,或者根据实际应用测试结果选取最优值[14]㊂但是,实际应用中,需根据经验需求,利用多次尝试选取合适的参数,本系统选取的仿真参数为K p =0.14㊁K i =1.5和K d =0.14㊂图3为step 的阶跃信号仿真波形,阶跃信号在0.7s 时发生跳变,表示电机在此刻加入负载㊂图3　负载转矩仿真U图4　电机转速的变化曲线根据各项参数的设定,查看示波器2中信号波形,如图4所示㊂从图中可知电机转速在10s 内的变化情况,电机在0.05s 基本趋于稳定,当在0.7s 加入负载时,电机转速轻微发生波动,但在0.11s 内趋于平稳,㊃212㊃ 计算机技术与发展 第30卷表明在PID控制器中选用的K p㊁K i和K d各项参数使得电机快速响应,根据转速波形可知,该系统具有一定的抗干扰能力,稳定性较好㊂3　软件设计3.1　系统主流程开机进入初始化,初始化程序包括定时器初始化㊁标志位初始化及液晶初始化等;液晶屏初始化完成后,液晶屏将清屏,显示初始角度,其他模块开始工作,光采集模块采集光强信息,通过A/D转化将模拟信号转为数字信号,传送到STC89C52主控芯片,利用PID算法控制单片机占空比的输出来控制电机电机转速,并且在一定周期内实时反馈调整㊂若调整角度大于180°,则触发声光报警,提醒复位,如果没有达到所需调整角度,则利用PID算法的反馈调节机制,再次反馈调节,直至满足角度调整需求为止㊂本系统的主流程如图5所示㊂图5　主程序流程其中,角度检测程序开机后进行初始化,初始化完成之后,由角度传感器检测到当前角度,通过A/D转换,转换为系统可识别的数字信号,读入数字信号,调整数字信号值,在允许的误差内将处理过的数字信息送入主控芯片,完成角度检测模块的任务㊂PCF8591的A/D 转换程序,开机完成初始化之后,开始向控制芯片送入控制字,由内部控制命令完成模数转换,等待转换㊂若转换完毕,则直接将数字信号送入单片机,若转换未完成,则返回继续进行转换,直至转换完成为止㊂在自动角度采集系统中,由于电机旋转过程中存在抖动现象,以及容易受到外界环境的变化等影响电机角度的准确控制,从而使得采集到的信号不稳定㊂文中在ADC转换过程中,采集的模拟信号波形抖动较大,严重影响了θ角度的稳定性控制;为了能够更好地提高角度稳定性的控制,可在系统软件设计中滤除采集信号的干扰量㊂该设计主要采用卡尔曼滤波器滤除ADC转化后的模拟量中的干扰信号,使得输出信号电流为4mA~20mA,随后结合去极值取平均值算法使得输出的θ角度稳定性得到提高㊂在算法测试过程中,系统干扰噪声为高斯白噪声,使用参数Q表示,过程白噪声采用参数R表示,实时测量电压值为x_mid,设前一次测量的电压值为x_ last,实时最优偏差量为p_mid,前一次最优偏差值为p_ last,增益为K1,估计最优值为x_now㊂将首次测量的电压值作为当前电压值,最优偏差p_mid与系统白噪声Q相加,作为当前最优偏差;利用实时最优偏差与白噪声之比,求出实时误差增益,结合误差增益和实施估计电压值求出实施最优值,采用实时最优偏差和误差增益求出实时协方差,将求得的协方差作为下次测量的最优偏差,以及将实时最优电压值作为下次测量的估计值,不断重复此过程,直到获得最优值㊂在测试过程中,可适当调整Q和R的值,数据不断更新过程中使得数据偏差减小,结合平均值滤波算法保证采集的ADC输出信号偏差较小,从而提高系统的稳定性㊂但是,当Q和R值选取不合适时,将会产生数据偏差较大的情况,从而很难获得稳定数值㊂3.2　仿真与测试结果分析利用Proteus软件绘制电路原理图,在Keil软件下编写程序,运行并生成Hex文件,利用stc_isp软件将Hex文件烧录入单片机㊂根据电原理图设计实物,实物测试如图6所示㊂图6　实物测试通过调节四个方向的光敏电阻的阻值,模拟不同方向上的光源,此时步进电机的步距角为5.6°,从占空比可以看出一个周期内两个电机的PWM占空比是一样的,所以达到了上左方向的光源模拟要求㊂根据仿真结果可知,采用PID算法可使电机快速响应,根据采集的光照信息,快速旋转到光照相对较强区域,稳定㊃312㊃　第7期 谢国坤:角度自动控制系统的设计性较好㊂在实物测试过程中,液晶显示第一行为X㊁Y㊁Z轴的角速度,第二行为其加速度,角速度分别为-189㊁13㊁187(单位:rad/s),可以根据弧度与角度之间的关系转化为角度值,根据角度信息可以实时监测采集光照帆板的旋转角度㊂在测试过程中,该设计可以根据光照旋转帆板,电机转速稳定,响应灵敏度高,基本实现了预期的设计目标㊂4摇结束语设计了一款基于STC89C52的角度自动控制系统,选用STC89C52单片机作为核心控制芯片,通过排列式光敏电阻阵确定最大采光点,再由MPU6050角度传感器确定角度信息,随后,通过PCF8591将模拟角度信号转换为数字角度信号,输送到主控芯片,同时根据PID算法的反馈调节,调节PWM占空比的输出来控制ULN8023驱动电机的转速,使得电机响应灵敏㊂同时该系统具有声光报警㊁液晶显示和按键控制等功能,可实时监测角度及在手动和自动模式之间切换,具有较高的稳定性和可靠性㊂结合光强检测的实时性和角度检测的可靠性,能够在一定时间内对角度进行实时的控制,根据仿真和测试结果可知,该系统在PID算法控制下,实现了角度自动控制系统的快速响应,仿真结果与测试结果一致,电机响应稳定性较好,且灵敏度较高,为以后太阳能系统高效性的研究提供了更好的基础条件㊂参考文献:[1]　杨丰涛.基于单片机的太阳光追踪系统研究[D].太原:中北大学,2013.[2]　郭志培.太阳自动追踪系统的研究[D].太原:太原科技大学,2012.[3]　张飞鸽.基于增量式PID算法的电风扇系统设计[J].机械与电子,2016,34(12):50-53.[4]　方良材,黄卫萍.基于MATLAB的果酒发酵温度PID控制系统比较研究[J].食品与机械,2014,30(3):83-86.[5]　王用伦.微机控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,2010.[6]　张亚群,游亚戈,吴必军,等.基于ADC0809的16通道数据采集系统[J].计算机工程,2010,36(13):222-223. 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角位移自动控制系统设计项目建议书一、项目概况本项目旨在根据闭环负反馈系统的相关理论，首先利用多圈电位器旋转一个特定的角度，通过用TL084做成跟随器将多圈电位器产生的电压和马达电位器产生的电压跟随到差分放大电路的两个输入端进行作差，为零说明马达转过的角度与电位器设定的角度相同。

若不为零，则将相差的电压与三极管的导通电压所造成的整体偏置电压送入加法器后，加法器的输出电压反馈到马达驱动电位器，使马达电位器再输出与偏置电压相同的电压，使差分放大器输出电压输出为零，如果还不为零则再次重复上述步骤，直至为零。

从而实现了角位移自动控制的设计。

另外，电动机用乙类双电源互补对称功率放大电路进行驱动（注意：由于三极管的PN节的导通会产生0.6V的偏置电压）。

二、可行性分析设备上，TL084芯片以及马达电位器、多圈电位器、三极管9013等均可在网上买到；技术上，用TL084搭建跟随器、差分放大、加法器等电路以及用三极管搭建功放电路都在模电上学过，自己也有相关的电路设计经验；电路焊接方面也有过一些经验；时间上，每周均有3~5个下午的空余时间可供支配。

总体而言，项目可行性较高。

三、成本分析结论：成本尚在可以承受范围之内。

四、项目周期安排计划使用5月30日至6月26日总计二十八天时间完成。

其中，5月30日至6月5日（小计七天）为准备期，主要任务是采购项目所需材料以及查询项目的相关资料，补充相关知识等；6月6日至6月14日（小计九天）为实施期，主要任务是焊接相关电路，调试部分模块、程序代码，最后初步制作出目标成品；6月15日至6月26日（小计十二天）为调试期，主要任务是根据实际情况，对电路进行修正，对部分参数进行调整，以改善系统性能。

五、总评估通过成本分析，该项目成本压力较小，经济上可行；根据可行性分析发现，完成该项目所需要的资源尚为齐全，技术上可行；项目还可加强自身的动手操作能力，在实际操作中加深对理论的认识，具有非常高的锻炼价值。

自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计报告设计题目：错位控制无环流可逆调速系统设计院系：班级：设计者：学号：同组人：指导教师：设计时间：课程设计（论文）任务书专业电气工程及其自动化班级学生指导教师题目自动控制系统课程设计子题错位控制无环流可逆调速系统设计设计时间设计要求设计目的：1.了解并熟悉错位控制无环流可逆调速系统的组成结构。

2. 熟悉错位控制无环流可逆调速系统中各单元环节的工作原理，特性和作用。

3. 了解错位控制无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。

4. 了解错位控制无环流可逆调速系统的优缺点。

设计内容：1. 系统方案的选择。

2. 系统方案的实体设计，包括各种功能电路或部件的设计与选择参数计算。

3. 系统各主要保护环节的设计。

4. 系统的动态工程设计，包括转速调节器，电流调节器的结构和参数选择。

5．详细分析错位控制无环流可逆调速系统的设计过程。

指导教师签字：系（教研室）主任签字：年月日目录一、错位控制无环流可逆调速系统的原理.......................................................... - 4 -1、可逆调速系统的原理......................................................................... - 4 -2、环流的介绍 ...................................................................................... - 4 -1、环流的定义................................................................................. - 4 -2、环流的分类............................................................................... - 5 -3、错位控制无环流系统 ...................................................................... - 5 -1、静态环流的错位消除原理......................................................... - 5 -2、错位控制无环流系统的结构..................................................... - 5 -3、错位控制无环流系统的优缺点................................................. - 6 -二、系统的设计..................................................................................................... - 6 -1、主电路的设计及参数选择 .............................................................. - 6 -1、变压器的选择........................................................................... - 6 -2、晶闸管的选择........................................................................... - 6 -3、电抗的选择............................................................................... - 7 -2、同步变压器及触发器的设计 .......................................................... - 7 -1、触发电路的设计......................................................................... - 7 -2、同步变压器的设计................................................................... - 8 -3、保护电路的设计 .............................................................................. - 8 -1、过电流保护............................................................................... - 8 -2、过电压保护............................................................................... - 8 -3、缓冲电路................................................................................... - 8 -4、检测环节 .......................................................................................... - 9 -1、转速检测................................................................................... - 9 -2、电流检测..................................................................................... - 9 -3、电压检测................................................................................. - 10 -5、控制电路的设计 ............................................................................ - 10 -1、A VR电压内环的设计............................................................ - 10 -2、ACR电流环的设计 ................................................................- 11 -3、ASR转速环的设计................................................................ - 12 -4、A VR、ACR和ASR的限幅设计.......................................... - 13 -5、AR反相器的设计.................................................................. - 13 -三、设计小结....................................................................................................... - 14 -四、参考文献....................................................................................................... - 14 -一、错位控制无环流可逆调速系统的原理1、可逆调速系统的原理图1 两组晶闸管装置发并联线路较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管—电动机系统。

自动控制原理设计报告位移一、设计目标本次设计的目标是设计一个自动控制系统，实现位移的精确控制。

具体要求如下：1. 实现位移的闭环控制，使得受控对象的位移能够准确稳定地控制在给定值附近；2. 控制系统的稳定性要求高，要能够快速响应输入信号，并在给定值发生变化时能够迅速调整；3. 控制系统的准确性要求高，要能够尽量减小系统误差，确保位移控制的精度。

二、系统分析根据设计目标，可以将系统分为以下三个部分：1. 传感器部分：用于实时感知受控对象的位移信息，并将其转化为电信号输入给控制器；2. 控制器部分：负责根据传感器反馈的信息，计算并输出控制信号；3. 执行器部分：接收控制信号，并将其转化为位移动作，控制受控对象的位移。

在传感器部分，我们可以选择合适的位移传感器（如激光位移传感器、编码器等），以获取受控对象的位移信息。

在控制器部分，我们可以运用自动控制理论中的经典控制方法，如比例-积分-微分（PID）控制器，来实现对位移的控制。

在执行器部分，常使用电机或液压系统，根据控制信号控制受控对象的位移。

三、设计方案基于上述分析，本次设计的方案如下：1. 传感器选择：选择一个合适的位移传感器进行实时测量受控对象的位移。

根据具体需求和系统的特性，选择合适的传感器精度和量程，确保位移测量的准确性和范围满足要求。

2. 控制器设计：使用PID控制器进行位移控制。

根据系统的传递函数和响应特性，选用合适的PID参数（比例系数、积分系数和微分系数），以实现系统的稳定和快速响应。

可以通过试验和调参的方法，逐步优化和调整控制器参数，使得控制系统达到最佳的稳态和动态性能。

3. 执行器选择：根据具体的应用需求，选择一个合适的执行器来实现位移控制。

通常情况下，电机或液压系统是常用的执行器类型，可根据系统的要求和控制信号的特性，选择合适的执行器类型和规格。

四、实施计划1. 确定需求：明确控制对象的位移要求和控制系统的性能指标；2. 设计传感器：根据系统要求和传感器的特性，选择合适的位移传感器；3. 设计控制器：根据实验数据和系统特性，设计PID控制器并进行参数调整；4. 选择执行器：根据系统需求和控制信号的特性，选择合适的执行器；5. 硬件搭建：将传感器、控制器和执行器进行物理连接；6. 软件编程：编写程序，实现控制算法和数据处理；7. 实验测试：根据测试方案进行控制系统调试和性能评估；8. 优化调整：根据实验数据和系统反馈，根据需要对控制系统进行优化和调整。

第1篇一、实验背景位移控制实验是研究机械运动过程中，如何精确控制物体位移的一种实验。

本实验旨在通过搭建位移控制系统，验证位移控制原理，并对实验结果进行分析，为实际工程应用提供理论依据。

二、实验目的1. 理解位移控制的基本原理和实现方法；2. 掌握位移控制系统的搭建和调试技巧；3. 分析实验数据，验证位移控制效果；4. 为实际工程应用提供参考。

三、实验原理位移控制实验主要基于以下原理：1. PID控制原理：PID控制（比例-积分-微分）是一种常用的控制算法，通过调整比例、积分和微分三个参数，实现对系统输出的精确控制。

2. 步进电机控制原理：步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行器，通过控制脉冲信号的频率和数量，实现精确的角位移控制。

3. 传感器反馈原理：通过传感器实时检测位移，并将反馈信号送回控制系统，实现闭环控制。

四、实验方法1. 搭建位移控制系统：本实验采用步进电机作为执行器，搭建了一个简单的位移控制系统。

系统主要由控制器、步进电机、驱动器和传感器组成。

2. 编程实现PID控制：利用C语言编写程序，实现对步进电机的精确控制。

程序中包含PID控制算法，通过调整PID参数，实现对位移的精确控制。

3. 实验数据采集：通过传感器实时采集位移数据，并记录实验过程中的位移变化。

五、实验结果与分析1. 实验结果：通过实验，验证了位移控制系统的稳定性和可靠性。

在给定的控制参数下，系统能够实现对位移的精确控制。

2. 结果分析：- PID参数优化：通过调整PID参数，实验结果表明，在合适的参数设置下，系统能够实现较好的控制效果。

- 传感器反馈对控制效果的影响：实验结果表明，传感器反馈对控制效果有显著影响。

当传感器反馈信号准确时，系统能够更好地跟踪目标位移。

- 步进电机性能对控制效果的影响：步进电机的性能对控制效果也有一定影响。

高性能的步进电机具有更高的精度和稳定性，有利于提高控制效果。

六、实验结论1. 位移控制实验验证了PID控制原理在位移控制系统中的应用，为实际工程应用提供了理论依据。

基于角位移传感器的抽油机调速控制系统摘要：抽油机是有杆采油的地面驱动设备，目前国内外应用最广泛的是游梁式抽油机（俗称磕头机），游梁式抽油机工作时，传动皮带将电动机的高速旋转运动传递给减速器的输入轴，经减速后由低速旋转的曲柄经过连杆机构，带动游梁作上下往复摆动。

有杆抽油是我国原油开采时所采用的主要方式，但陆上油田用抽油机效率低、功率因数低、耗能高、“大马拉小车”等问题普遍存在。

各油田用于抽油的电能消耗量巨大，抽油装置的节能问题已经引起了广泛的关注。

关键词：角位移传感器；抽油机调速控制系统引言：本控制系统是一种基于角位移传感器的变频调速控制系统，通过检测抽油机游梁的当前角度，控制变频器来实时调整抽油机电动机的转速，并将能量反馈给电网，提高抽油机单井采油时率、节约电能、降低网损、解决“大马拉小车”、启动力矩大、电流冲击大等的全自动节能控制系统。

1控制系统的特点：1.1采用角度位移传感器测量抽油机游梁的角位移，将传感器发出的4-20mA模拟量信号传输至PLC控制系统，大大提高了检测的精度、信号传输距离及可靠性。

1.2.采用日本YASKAWA公司H1000系列变频器，通过导线与PLC控制系统连接，实现了低成本、安全可靠的自动化传动控制系统。

1.3.采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免了传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本。

1.4.采用能量回馈单元，当电动机处于发电状态时，将电能储存，当电动机处于电动状态时，再将电能返回给抽油机，大大降低了系统的功耗；整个控制系统具有较高的防护等级，使其可以连续、长期、稳定地在户外工作。

1.5.采用远程监控模式，客户端免维护，使系统的分布相对集中，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性；1.6.基于对抽油机负载特性的研究，PLC控制系统软件嵌入了多种智能算法与自学习功能，大大减小了数据的误差，提高了控制精度。

2.下面对控制系统进行详细说明：本控制系统的架构如图1所示，包括角位移传感器①、PLC控制系统②、变频调速系统③、电动机④、远程终端⑤、GPRS通讯模块⑥。

角位移跟踪控制系统的优化设计单长吉;徐楠【摘要】角位移的跟踪测量在工程中应用较为广泛,利用PD校正器、PID校正器、H(s)闭环反馈控制三种方法,对角位移跟踪控制系统进行优化,结果均能改变系统发散振荡的状态,使系统能够满足生产实际中的要求.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】6页(P47-52)【关键词】角位移;最优化;PD控制器;PID控制器;闭环反馈控制【作者】单长吉;徐楠【作者单位】昭通学院,云南昭通657000;昭通学院,云南昭通657000【正文语种】中文【中图分类】O4-33角位移是描述转动时，物体位移的变化量。

在工程实际中，角位移的应用较为广泛。

测量角位移的运动规律，能够反映出旋转运动中的运动特点。

测量角位移的工作原理，在于将角位移的矢量转变为其他物理量的变化，并有相应的电信号作为输出。

为了保证输出信号符合误差允许范围，提高测量精度，因此在测量系统中，利用控制工程中的最优化方法来提高系统的精度显得尤为重要。

现有一角位移跟踪系统，如图1所示。

滤波器的时间常数TL=0.002 5 s，伺服电机拖动系统的时间常数TM=0.2 s；系统的放大系数分别为：K1=1，K2=1 000。

利用MATLAB对该系统进行阶跃信号响应模拟，得出阶跃信号响应曲线，如图2所示。

从图2可以看出，输出曲线为振荡发散，这样的系统是不稳定的，在实际中没有意义，因此需要对该系统进行校正优化[1]。

对于控制系统而言，评价其性能的指标很多，但主要有四个：稳定性、超调量、相位裕度及响应时间。

控制系统的超调量是系统动态性能指标中的一个，在输入信号为阶跃信号的前提下，其幅值超出稳态状态下的最大幅度，表达式为×100%。

超调量的合理范围一般不超过40%[2]。

相位裕度的意义在于系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化，相位裕度越大，系统越稳定；系统稳定的同时，却影响了系统的响应时间，致使响应时间延迟。

角位移自动控制系统调试总结报告一：硬件实物图二：硬件实物图说明如图所示，左上角的排针接+9V，左下角的排针接-9V，右边中间的排针接地。

±9V由两节9V的电池供给。

电池左边的两个电阻是100KΩ的，中间的三个排针接可调的单圈电位器，用于设定角度。

单圈电位器左边的电阻是两个100K Ω的滑动变阻器，中间的三个排阵接右下方的马达电位器。

中间的两个TL084运放组成比较器，跟随器，加法器等电路，第一个运放旁边的滑动变阻器是10K 欧姆的，是用于调节偏置电压的。

第二个运放左边的滑动变阻器时5K的，用于调节加法器的放大倍数，右边的两个三极管分别是9013与9012，组成了一个乙类双电源互补对称功率放大器，用于驱动马达。

马达的一端接地，另一端接功放电路的输出端。

三：调试步骤1、接通电源，打开开关。

2、确定运放不发热，没有被烧坏。

保证功放电路的正常工作，三极管不要烧掉。

3、将接马达电位器两端的两个104的滑动变阻器的阻值调成100KΩ，需要注意的是这两个电阻的阻值一定要调节的一样大，不然就会压不均匀，导致偏置不好，使马达转过的角度与设定的角度不一致。

4、将单圈电位器分别调到两个极值端，测量第一个运放三脚输入的电压，根据分压原理，理论值应该在±3V左右。

同样，将马达电位器也分别调到两个极值端，测量第一个运放五脚输入的电压，根据分压原理，理论值应该在±3V左右。

总之，两次测量所得的正负电压值应该是相等的。

5、测量第一个运放十四脚的输出电压，然后通过理论计算调节第一个运放旁边滑动变阻器的阻值，使滑动变阻器的中间脚输出1.6V的电压，这是调节偏置电压。

6、将第二个运放旁边的滑动变阻器调到5K（也可以为其他值），分别测量第一个运放的八脚和第二个运放的十四脚输出电压，通过反向加法器的计算公式验证加法电路的正确性。

7、将单圈电位器旋转一定的角度，观察马达电位器是否也跟着转，并测量第一个运放的八脚的输出电压，观察电压的变化是否从一定的值变到0V时，马达电位器也就不转了。

课程设计报告项目名称：角度随动系统******专业：信息工程学号：**********本次设计的是角度随动系统，主要运用到了模拟电路的相关知识来设计系统的硬件，实现角度自动控制。

通过控制前端转动角度的大小来控制系统末端的角度。

主要由电位器、电阻、齿轮、运放、功放、电机等部件组成，使之可以通过一个电位器的转动以达到控制末端角度跟随变化。

关键词：角度控制、电机、角度随动AbstractThe design Angle servo，using the related knowledge of analog circuit to confirm the hardware，can realize the automatic angle control. The angle at the end of the system can follow the change of the angle at the beginning of the system.The automatic control system mainly consists of potentiometers,resistances,gears ,operational amplifier , power amplifier, a motor and etc.Keywords:Angle control,Motor,Angle tracking摘要一、引言1.1角度随动系统的应用背景1.2角度随动系统实现功能二、系统方案论证2.1总体方案思路2.2方案比较论证三、角度随动系统3.1系统框图3.2角度随动系统的结构组成3.3角度随动系统的工作原理3.4系统数学模型的建立四、系统电路原理图4.1综合电路4.2电路模块分析五、系统实物及性能测试5.1器件的选择5.2实物图5.3性能测试及校正六、结束语七、参考文献一、引言1.1角度随动系统的应用背景随着社会的发展，科技的进步，自动控制系统在各个领域的应用越来越广泛，智能化已是现代控制系统发展的主流方向。

角位移自动控制系统建议书专业：信息工程学号：1028401106 姓名：鞠青云一、项目要求在该系统的前端有一个角度旋钮，标明了旋转的角度，通过一个角位移控制系统，控制系统末端的角度，使末端的角度变化和该系统前端的角度变化一致。

即前端旋钮指示到哪个角度，末端的也指示到哪个角度。

二、项目思路要控制末端的角度随着前端旋钮的角度一起变化，并且保持一致，而且可以反向调节，就得根据闭环负反馈系统的相关理论，在末端角度部分有一个反馈信号到前端输入部分，从而控制末端角度到达目标角度时能够停止转动。

简单的负反馈框图如下：上述反馈流程图是该角度自动控制系统的简单框图，具体的内部连接电路图等需要具体根据实际情况而设定。

前端的角度变化，可以利用多圈电位器旋转一个特定的角度，从而产生一个电压的变化。

该电压接入用运放做成一个差分放大电路中，与后端电机转动带动电位器变化产生的电压作差，刚开始电压差不为零，马达会进行转动。

随着马达转动，反馈的电压逐渐增大，差值就趋于0，当差值为0时，说明马达转过的角度与电位器设定的角度相同，此时电机也就会停止转动，从而达到控制的要求。

三、项目器件前端需要一个角度旋钮并且有电位器，可以通过一个多圈电位器来实现旋钮和电压的控制。

运放可以选择普通的LM324来实现。

因为电机存在驱动电压的问题，直接作差后的电压较小，可以通过OCL的功放放大。

后端电机控制电位器转动，进而控制电压的变化，可以买电机和电位器集成在一起的马达电位器。

四、成本分析成本在要求价格承受范围之内。

五、项目时间安排6月6日-6月12日上网收集关于角度控制器的资料，了解角度控制器的应用等，初步定下方案的设计，并设计具体的模块，绘制原理图进行验证。

6月13日-6月19日购买项目器材，焊接电路板，调试各个模块的功能，并且进行整体的简单测试。

6月20日-6月26日整体测试并且对对路加以改进，完成总的项目报告。

六、总评估由上述几个方面可以看出，该项目用到的资源较为齐全，在技术上是不存在困难的，角度控制器在理论上是可以实现的。

自动控制综合设计——单片机控制的角度和位移伺服系统指导老师专业姓名学号设计时间年月目录一、设计目的及意义 (1)二、控制对象及控制目标 (1)2.1控制对象 (1)2.2控制目标 (3)三、设计方案及总体思路 (3)3.1系统总体设计图 (3)3.2直流伺服电动机的静态特性 (4)3.3直流伺服电机的动态特性 (5)四、初步分析系统性能 (6)五、具体设计 (9)5.1内环设计 (9)5.2外环设计 (13)六、性能分析 (18)七、具体实现、单片机编程 (19)7.1离散化 (19)7.2单片机编程 (20)八、工程设计法（最佳二阶阻尼比法） (25)九、设计结论 (26)十、工作总结及心得体会 (27)十一、参考文献 (28)一、设计目的及意义（1）、理论联系实际，加强对自动控制理论的理解。

增强分析问题、解决问题的能力。

（2）、熟悉MATLAB 软件，掌握它在控制系统设计当中的应用，能熟练进行系统建模、性能分析、模型仿真等操作。

（3）、用单片机进行编程，实现PID 的控制算法，了解控制算法的具体实现及单片机软件仿真过程。

（4）、开发创新意识，增进对科学技术的兴趣。

（5）、培养严肃认真的科学态度。

二、控制对象及控制目标2、1控制对象大多数现代火车和交通工具采用电气牵引机车，火车的电气机车驱动装置速度控制部分的原理图2、1所示，可得到其传递函数。

图2、1 机车驱动装置速度控制原理图装置采用转速计产生与速度成比例的电压信号t u ，i u 与t u 分别为指令与速度信号检测值，于是差值信号放大器的输出为212134111i t R R R u u u R R R +=-+由于稳定时t t d u K ω=，此时希望系统调节系统部分不工作，即10u =。

若令0.1t K =，则有212341111t R R R K R R R +==+，可得213410R R R R ==。

代入上式并进行Laplace 变换得1()()10()()()i t i U s U s U s U s s =-=-Ω功率放大器的特性是非线性的，可以由132u u e =来描述，平衡工作点是0 1.5u u =，于是采用小偏差线性化方法得线性化模型1031210111()23540u u dg u u e u u du ∆==⨯∆=∆对增量进行Laplace 变换得21()540()U s U s =直流电机控制部分中的转动惯量J 为电动机转动轴惯量与负载折合至电动机转轴的等效惯量，c 为电动机所受粘性阻尼与折合至电动机轴的负载等效阻尼。

角度输入 差分放大 功率放大 角度输出 电压补偿反馈 校正网络 自动控制原理实验报告姓名：蒋毅学号：1228402052班级：12微电子一、 实验题目题目：角位移控制系统 设计并制作一个角位移控制系统，输入一定的角度，输出相同的角度。

利用自动控制原理的知识调试并改善系统性能。

二、 基本原理及系统框图利用单圈电位计输入一个电压值，与输出电压相减（负反馈），作用与马达电位器上。

马达电位器时内部有电位器的马达，马达旋转带动电位器的抽头移动。

电路±9V 供电，最大角位移：300°。

图1 系统框图三、 电路图图2 系统电路图1.角度输入和差分放大图3 角度输入电路R3为单圈电位器，同过抽头分压输入，电压变化范围：0~6V。

R10为马达电位器的电位器部分，电压变化范围：0~6V。

两个电位器的输出电压经过有运放组成的减法电路差分输出，如果输出电压不为零表示输入角度和输出角度之间有差值，马达电位器就会工作，以旋转到正确的角度。

当电压为正时，马达正转；电压会负时，马达反转。

2.校正网络图4 校正网络R19，R20和C1组成超前校正网络，提高电路的相应速度。

后接正相比例放大，提高系统增益。

3.补偿电路图5 电压补偿电路因为功率输出部分的三极管有导通压降，以及马达电位器需要克服一定的静摩擦力，所以需要补偿一定的电压。

补偿电压与校正网络的输出电压相加，输出到功率放大电路。

差分电路输出的电压输入到运放组成的比较器，决定补偿电路的正负。

若马达正转则补偿正电压；马达反转则补偿负电压。

调节滑动变阻器以产生合适的补偿电压值。

4.功率放大图6 功率放大电路有三极管9013和9012组成乙类功率放大电路，100Ω电阻用于模拟负载马达的阻抗。

四、系统调试1.补偿电压当三极管导通时，基极与发射极之间电压为0.65V。

在马达正负极缓慢增加电压，当电压为0.6V是马达刚开始旋转，所以马达克服静摩擦力需要的电压是0.6V。

项目建议书
项目名称: 直流电机控制的角位移控制系统
学号：
姓名：
班级：
邮箱：
苏州大学电子信息学院
2016年6月7日
项目背景
角位移广泛应用于生产生活的各个方面，如药品灌装和相机的焦距调节系统等。

在角位移控制的领域中，采用步进电机来实现。

通过本次试验可以提高编程能力，加强对步进电机，光电编码器的理解。

工作范围
1）硬件设计
STC89C52单片机驱动模块步进电机光电编码器LCD1602
（主要为硬件连接）
2）软件设计
以STC89C52单片机为核心，以Keil uVision4为编程平台，通过C语言实现功能设计。

基本设想
改变PWM控制信号占空比，以光电编码器测量角位移并反馈于单片机，实现直流电机闭环控制。

项目阶段
16周完成硬件设计
17周完成软件设计
18周完成调试并提交结果
可提交成果。