运动控制器（精选6篇）
篇1：运动控制器
船舶运动控制概述
随着经济全球化的加剧，现代物流业飞速发展，市场对进出口的需求越发的加大，造成了与之相应的航运自动化的繁荣发展，各种新的控制算法不断地应用于传播控制以提高营运的经济效益。作为大连海事大学自动化专业的学生，我们有必要了解船舶相关的知识，包括船舶运动控制，船舶控制系统，船舶导航等的相关知识。并将储备的知识运用到以后的学习与工作中。
一、欠驱动船舶的控制器设计
首先我们先来聊聊船舶的驱动。由于船舶动力驱动结构具有非完整约束和典型的欠驱动特性,而且航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求,必须探索新的船舶控制方法。
欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统，即控制输入数小于系统自由度的系统[1]。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，约束都是不可积的微分表达式,属于非完整系统。
研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务,降低了系统的费用及重量,提高了营运效益,同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率,使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是,欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时,可采用欠驱动船舶控制策略,利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制,增大设备出现故障时系统的可靠性。
正是由于上述原因,对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一[2]。作为一种特殊的非线性控制方法,欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题,有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展,本文在查阅有关资料的基础上,对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述,并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。
如果把船舶作为一个刚体来研究,则船舶的运动有六个自由度,称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制,所关心的主要是船舶在水面上的位置和航向,而且就低重心的普通船舶而言,垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化为沿x方向前进、y方向横移及绕z轴旋转(艏摇)的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋桨推进器和船舵,也就是说系统只有2个控制输入(前向推力和旋转力矩),但需要同时控制船舶在水平面运动的3个自由度,因此对常规船舶平面运动的控制研究可归结为欠驱动控制问题。
上述的船舶的控制问题 ,船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵 ,船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略 ,都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。
二、船舶操纵的控制技术发展
船舶操纵的自动舵是船舶系统中不可缺少的重要设备,随着对航行安全及营运需求的增长，人们对自动舵的要求也日益提高。本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质进展后分别独立地研制出机械式的自动舵,它的出现是一个里程碑,使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这是第1代自动舵。机械式自动舵只能进行简单的比例控制,为了避免振荡,需选择低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制。本世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第2代自动舵问世了,这就是著名的PID舵。自然PID舵比第1代自动舵有长足进步,但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能力,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著。
到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,正式形成了第3代自动舵。自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩,但物理实现成本高,参数调整难度大,特别是因船舶的非线性、不确定性,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定性,尽管存在这些困难,熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧,能有效地控制船舶,为此,从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵。此外,80年代前船舶上安装的自动舵一般只能进行航向控制,它可把船舶控制在事先给定的航向上航行。随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上。
1.PID控制
直到70年代早期,自动舵还是一个简单的控制设备,航向偏差给操舵设备提供修正信号,对海浪高频干扰,PID控制过于敏感,为避免高频干扰引起的频繁操舵,常采用“死区”非线性天气调节,但死区会导致控制系统的低频特性恶化,产生持续的周期性偏航,这将引起航行精度降低,能量消耗加大[3]。
此外,当船舶的动态特性(速度、载重、水深、外型等)或外界条件(风、浪、流等)发生变化时,控制参数需连续地进行人工整定,控制参数不合适的控制器将导致差的控制效果,如操舵幅度大、操舵频繁等,而人工整定参数很麻烦,为此,人们提出了自适应控制方法。
2.自适应控制
任何自适应系统都应能连续地自动辨识(整定)PID算法的控制参数,以适应船舶和环境条件的动态特性。目前提出的方法主要有自适应PID设计法、随机自适应法、模型参考法、基于条件代价函数的自校正法、最小方差自校正法、线性二次高斯法、H∞控制法、变结构法等,这些自适应方法都有各自的优缺点,并且自适应法还处于不断的发展过程中。
总之,自适应控制技术不仅与代价函数的估计值有关,而且也与精确地建立扰动模型有关,在船舶所遇到的复杂的工作台条件下,自适应自动舵并不能提供完全自动的最优操作。
3.智能控制 对有限维、线性和时不变的控制过程,传统控制法是非常有效的,如果这样的系统是充分已知的,那么,它们能用线性分析法表示、建模和处理,但实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性,很难建立精确的模型方程,甚至不能直接进行分析和表示,而人工操作者通过他们对所遇情况的处理经验和智能理解与解释,就能有效地控制船舶航行.因此,人们很自然地开始寻找类似于人工操作的智能控制方法。目前已提出3种智能控制方法,即专家系统、模糊控制和神经网络控制。
专家系统的关键技术是知识经验的获取与表示。Brown等采用了模仿人工操作的专家系统方法,而并没有直接使用船舶的数学模型,通过研究人工操作与普通自动舵控制之间的差异,建立了规则库以便修正自动舵的特性,也就是自动舵与基于规则的专家系统之间进行交互作用。例如,舵手把两次连续的转弯当作一次长的转弯来处理,这种措施及其它类似措施都可在修正后的自动舵上实现。此文还论述了这种模拟人工操作的自动舵构造方法,当然,这里的舵手是选择对不同船舶、工作条件、环境及可能发生的情况很有处理经验的人。这种的自动舵专家系统与船舶操纵模型无关。
通过查阅老师推荐的相关资料,我们了解了关于船舶的控制相关的方法的知识,包括PID控制、自适应控制、智能控制等。不仅扩充了船舶控制系统相关的知识，更学会了和熟练了查找相关文献资料的技能。为我们以后的学习和工作打下了良好的基础。
参考文献：
[1]周祥龙，赵景波.欠驱动非线性控制方法综述[J]，工业仪表与自动化装置，2004 [2]LMANOVSKY K,MCCLAMROCH N H.Development in non-holonomic control problems.IEEE Control System Magazine,1996 [3]张显库，贾欣乐.船舶运动控制，国防工业出版社，2006.2 [4]杨承恩等.船舶舵阻摇及鲁棒控制,大连海事大学出版社,2001
篇2：运动控制器
学生姓名：
韩正运
学
号：
4111102034
院
系：
京江学院
专
业：
机械电子工程
指导老师：
马皓晨
题目： 运动控制考试论文
在交通运输中的应用实例
摘要：木文从工程船舶电力拖动负荷功率大、主回路在大电流工况时进行转换和振动大等特点出发，较系统地介绍了其电力拖动对自动控制系统的要求，并通过实例对工程船舶电力拖动自动控制系统的工作原理及特性作了分析讨论。0引言
在直流系统中，可刊用转速负反馈、电压截止负反馈、电流截止负反馈等各种反馈信号电压与给定电压进行电的或磁的综合后，亦可获得所需的各种机械特性。1.斗链自控系统
图8为长江330工地用的250方采石船的斗链拖动系统图。它采用电机放大机一发电机一
电动机控制方式,两台斗链电动机D1、D2由两台发电机F1及F2串联恒流供电,发电机励 磁由电
机
放
大
机
HXD
供
给。
斗链采石作业时,对拖动系统提出的要求是:正向五挡变速(1.6,1.1,1.5,19及29米/分)反向一档转速1.6米/分,且在负荷转矩M小于额定转矩Me时(见图9),转速基本保持稳定,一旦M>Me时,转速急骤下降,直至处于堵转状态(MH点)。控制环节分析
(1)给定元件。由图8(b)的控制线路3、4两端供电给给
定绕姐GDQ,作为励磁,使放大机HXD获得输出电压u，调节变
阻器r可得不同的u,值。
(2)测量元件(反馈元件)。为电压截止负反馈绕组YQ及电
流负反馈绕组LQ组成,其磁通方向均与GDQ相反。电压绕组YQ与来自控制线路R上的u2进行截止比较,若由于外界扰动使放大机输出电压u1升高,以至引起转速上升,此时因u1>u2,故反馈绕组YQ有电流流过,此电流产生的磁通削弱GQD磁通导致电动机电枢电压下降,转速减小,直主维持原转速为止。此时整个系统工作在图9的AB工作段上。
电流负反馈绕组LQ的反馈信号取自主回路电机的换向极绕组HX1及HX2。它是主回路电流的函数。该绕组具有双重作用,在M
由以上可知,由于有了电压、电流负反馈,特别是电流负反馈绕组,这两个测量元件使整个斗链拖动系统自动地获得了挖土机特性,也就是说,采用了自控系统的各环节后,使电力拖动满足了变负荷的要求。(3)比较元件:本线路之比较元件不是一特定装置,而是将各控制绕组YQ、GDQ及LQ等的信号,在空间进行磁的综合后供给放大机作励磁。这些控制绕组兼有测量元件及比较元件的双重作用。
(4)放少:元件为电机放大机HXD,将综合信号放大后供给发电机励磁绕组QF1及QF2。(5)执行元件为斗链直流电动机D1及D2，改变其电枢电压可获得额定转速以下的调速,调节其励磁电流可获得额定转速以上的调速。MATLAB仿真图
在工业生产上的应用实例
摘要:早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统,这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷,几乎无数据处理和通信功能,必须有专人负责操作。将PLC应用到运料小车电气控制 系统,可实现运料小车的自动化控制,降低系统的运行费用。PLC运料小车电气控制系统具有连线简单,控制速度快,精度高,可靠性和可维护性好,安装、维修和改造方便等优点。0 引言
运料小车是焦化厂及其它工业运料的主要设备之一,广泛应用于冶金、有色金属、煤矿、港口、码头等行业。该设备在整个系统中起着至关重要的作用,它能否正常运料直接影响产品产量和质量。可编程序控制器(PLC)是一种为工业环境下应用而设计的计算机,它应用微电子技术,按照用户编制的程序实现控制和数据处理的功能。由于其可靠性高、编程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系统。本文以某焦化公司运料系统为例,简要介绍PLC在焦化厂运料小车自动控制系统中的应用。1 工作原理
料车轨道长50 m,运料系统采用单车运料方式。由于小车在工作时是移动的,因此,采用可移动的电源供电。本系统采用软电缆供电,软电缆可随小车的移动而伸展和叠卷。根据运料工艺要求,料车在前行或后行过程中,需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转慢的过程。小车上料控制过程为:当料车运行到装料处时,起动供料胶带,将已称好的原料倒入料车中;装满料后,运料电机带动料车按照慢-快-慢的规律前行, 到达卸料处开始延时倒料;倒完料后,料车再次按照慢-快-慢的规律运行到装料处,开始下一个运料周期过程。整个运料周期可根据产量进行调整,载料小车的运行模式通过主令控制器和PLC来实现,速度变化通过改变变频器的频率来实现。同时,智能主令控制器还将检测到的料车位置以模拟信号形式送给PLC,PLC再将这些信号送给上位机,通过编程软件在上位机动态画面上显示出料车的位置和状态,从而实现对运料过程的监视和在线控制。2 控制系统的实现 2.1 料车运行情况
料车运行过程如图1所示。
2.2 控制要求
根据生产工艺要求,设计出料车在运料(前行和后行)过程中的速度变化情况,如图2所示。
2.3 控制方案
(1)根据料车运料过程中速度曲线图,确定变频器的频率变化情况,如图3所示。
(2)确定智能主令控制器改变速度信号的输出点(图
2、图3中的A~D点),即一加速、二加速、一减速、二减速等信号输出点。相应的信号送给变频器,变频器根据这些信号改变频率来实现料车上料过程中由初态)速1)速2)速1)停车的变化程。
(3)PLC首先向变频器发出运行控制信号(图4中的Q0.0正转、Q0.1反转),变频器接收到运行信号后发出输出频率动作信号,接着打开抱闸,变频器开始起动。主令控制器根据料车运行位置依次输出改变速度的信号,使变频器及时按图3特性曲线改变频率,从而控制料车按照图2特性运行。其电气原理图如图4、5所示
(4)根据产量要求,可以通过修改智能主令的
速度变化信号输出点和变频器在不同阶段的频率设定值来改变料车的运行模式和速度,从而改变料车的上料周期,以达到不同情况下炼焦
生产工艺的要求。
总结：现代运动控制已成为电机学，电力电子技术，微电子技术，计算机控制技术，控制理论，信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。课上老师简单介绍了运动控制及其相关学科的关系，随着其他相关学科的不断发展，运动控制系统也在不断发展，不断提高系统的安全性，可靠性，在课上跟随老师的思路，使我对运动
控制系统有了更深刻的理解。
参考文献: [1] 李建兴.可编程序控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2000.[3] 吴俐君.电力拖动自动控制系统实验[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.[4] 郝力文,王子文.车间运输小车的智能控制[J].机械,2001年,28(增刊).[5] 自动控制原理及设计
[6] 工程船舶特种机械电力拖动
[7] 电动机调速原理及系统
[8] 自动化装置元件及其动态特性 [9] 船舶电气工学便缆
[苏A.N塔纳塔尔著」
〔日〕
〔陆道政季新宝著〕
〔吴斐文著〕
篇3：基于PC104的运动控制器设计
当今国际上, 最常见的开放式数控实现方法是基于PC的数控, 以本数控实验室的火焰切割机为例, 采用基于PC的开放式数控系统, 存在着如下几个问题:①PC作为一个通用平台, 无论从底层硬件设计还是操作系统环境角度看都没有考虑数控加工的特殊性;②抗干扰、抗震、防尘性能比较差, 难以适应恶劣的加工现场环境;③性价比比较低:PC的成本虽然在降低, 但是还是比嵌入式系统成本高。
本研究提出一种用MCX314运动控制器设计数控系统的方法, 开发一套具有高速度、高精度、高可靠性和高性价比的数控机床控制系统。
1 MCX314功能简介
MCX314是日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片[1]。该芯片具有4个轴的控制通道, 能实现任意两轴或三轴的直线插补、任意两轴的圆弧插补, 并且每个轴控制通道都有硬件限位I/O端口, 非常适合于数控系统的设计[2]。
2 多轴运动控制器设计
本研究所设计的数控系统基于PC/104嵌入式主板, 因此运动控制器也以PC/104总线标准与嵌入式主板连接。为了提高运动控制卡的电路集成度, 方便功能更新和扩展, 使用Altera公司的CPLD芯片EPM7128S实现数控运动控制卡的PC/104总线接口和其他I/O接口设计。其结构图如图1所示。
2.1 I/O接口设计
由于嵌入式系统的I/O地址单元大部分被一些标准设备占用, 如果对运动控制卡的地址设置不当, 会导致嵌入式系统其他设备工作不正常, 甚至使系统崩溃。在本研究的嵌入式系统中, I/O通道中的0270H～027FH这段地址空间未占用, 可通过地址译码使运动控制卡在这段地址空间内寻址, 可避免控制卡与嵌入式系统的硬件设备地址冲突。
运动控制卡的地址译码器通过使用VHDL语言对CPLD芯片编程而实现。笔者使用MAX+PLUS Ⅱ工具软件进行芯片设计和VHDL语言的编写[3,4]。使用MAX+PLUS Ⅱ软件设计的地址译码器芯片图如图2所示。
在设计完译码器的芯片图后, 利用VHDL语言实现译码器的内部逻辑电路, 使得控制卡的寻址地址在0270H～027FH段。
地址译码器的VHDL语言编程代码如下:
使用MAX+PLUS Ⅱ工具软件进行芯片设计和VHDL语言的编写, 地址译码的输出信号控制数据读写、MCX314寄存器的地址映射、I/O口的扩展。I/O扩展的示意图如图3所示。A0～A9是嵌入式系统访问外部设备的10条地址总线, IOR是嵌入式系统读取外部设备数据信息的读选通线, IOW是嵌入式系统向外部设备发送信息或命令的写选通线, RST是嵌入式系统的复位线, 在复位时, 译码电路复位。
在图3中, 数据通道切换开关用来选择数据通道输出还是I/O通道输出, 它利用RDEN脚来控制三态门的输出, 当RDEN为1时DB通道输出;当RDEN为0时RD通道输出。输出通道WD连接了图3的2个74273数据触发器的输入端。74273是带公共时钟复位的八D触发器, 当译码器译码值为271H即WRHADD信号有效时, 第一个74273开始工作, 此时只要从总线驱动器输入进来8位数据, 就能通过74273发送出去。如向271H地址发送数据00H时, 74273的输出端的值就全为0, 而RST与MCX314的硬件复位管脚相连, MCX314立即复位。
2.2 信号输入/输出电路设计
本系统设计的输入/输出信号电路主要包括:限位开关信号输入电路、脉冲输出电路和减速停止信号的输入电路及部分作功能扩展用的输入电路, 可通过键盘向嵌入式系统发送命令实现其他外部操作。
2.2.1 超程限位开关信号输入电路
限位信号在电机驱动过程中抑制驱动脉冲输出以使电机停止运行。X轴限位信号输入电路如图4所示, 其中VCC是系统内部电源输出。XLMT+和XLMT-分别为X轴的正超程限位信号和负超程限位信号, 是由限位传感器传送的信号。XLMT+和XLMT-限位信号通过光电耦合器TLP521和RC滤波器接入到MCX314的XLTP和XLTM脚。XLMT+和XLMT-限位信号有效后 (低电平有效) , 驱动将减速至停止。
其他轴限位信号接入电路与X轴的相同, 即通过光电耦合器TLP521和RC滤波器接入到MCX314芯片。
2.2.2 驱动脉冲输出电路
数控系统通过MCX314芯片nPP和nPM端输出驱动脉冲, 其输出方式有两种:①正/负脉冲输出方式;②脉冲/方向输出方式。在前一种方式下, nPP输出正方向脉冲, nPM输出负方向脉冲。在后一种方式下, nPP输出驱动脉冲, nPM输出脉冲方向信号。在默认情况下, 本数控系统脉冲输出方式为正/负脉冲输出形式, 脉冲输出端通过光电耦合器TLP521输出。
2.2.3 伺服驱动器信号的输入电路
MCX314芯片中每个轴都设有ALARM信号位, 用来接收伺服驱动器的警告信号, 当其有效时, 驱动轴将停止驱动。当来自伺服驱动器的警告信号为高电平时, 就会通过光电耦合器TLP521使接在MCX314的X轴ALARM信号端为高电平。因此当伺服驱动器的X轴有警告信号时, 如果X轴正在输出驱动脉冲, 驱动轴X会减速停止。
2.2.4 其他输入/输出电路
本系统除设计了限位开关信号输入电路、脉冲输出电路和伺服驱动器信号输入电路外, 还有扩展用的接口电路。这些电路和上面介绍的电路基本类似, 都是通过光电耦合和RC滤波输入或输出, 不同的是这些电路的一端和可编程芯片CPLD相连, 而不是直接与MCX314芯片输入/输出端相连[5]。MCX314芯片的通用输入/输出端也是与CPLD芯片的I/O管脚相连, 当用户需要扩展I/O口, 实现某种特定功能时, 只需在CPLD内编程实现I/O接口电路功能扩展, 然后连接到MC314相应的管脚, 或者直接输出。
2.3 控制软件模块设计
为实现数控系统软件的可扩展性、开放性, 笔者将自行开发的运动控制卡驱动函数封装在一起, 将运动控制卡地址定义部分单独存放在一个头文件中。在移植时, 如果改变了控制卡的地址, 在软件的地址定义头文件里修改定义值后, 就可以调用控制卡的驱动函数, 而不必重新写驱动程序。
本系统的数控软件通过调用运动控制卡的部分驱动函数实现软件模块化设计。软件模块之间相对独立, 通过软件接口调用各模块[6,7,8,9]。接口是一些数据缓冲区或者标志位信号, 因此系统软件具有良好的可移植性、可扩展性。系统软件模块图如图5所示。
主程序模块开辟公用数据缓冲, 并完成系统的初始化工作, 系统初始化包括:系统数据存储区初始化、系统中断初始化、运动控制卡初始化、串口通信初始化、屏幕初始化;加工程序编辑模块实现零件加工程序的编辑与输入;加工程序译码解释模块将程序代码翻译成数控系统能识别的数据形式;插补控制模块主要是针对MCX314芯片的应用而设计的, 主要包含了直线插补、圆弧插补、直线和圆弧插补的加/减速控制等模块。其任务是在已知起点和终点的情况下完成对直线或者曲线插补。
以下介绍系统软件模块里的连续插补模块。连续插补是比较典型的一种插补, 连续插补执行一系列的插补 (如直线插补、圆弧插补、直线插补……) , 在此过程中没有停顿、连续地输出脉冲。在插补驱动中, 如果CPU在上一个插补命令完成前, 向MCX314中写入了下一个插补数据和插补命令, 就能执行连续的插补驱动。因此, 在所有的插补节点中, 从连续插补驱动开始至结束的时间必须长于设定下一个插补节点的数据和发命令的时间。连续插补流程如图6所示。
3 结束语
本控制器已经应用到课题组研制的火焰切割机上, 很好地克服了原有基于PC的火焰切割机的不足;外围电路采用可编程逻辑器件, 提高了接口电路的灵活性、稳定性及抗干扰性, 所研制的运动控制器能保证火焰切割机在工厂复杂环境下可靠地工作。
摘要：基于PC的运动控制器往往难以满足恶劣工业现场的实际使用要求。针对这一问题, 介绍了采用基于PC104嵌入式主板和MCX314芯片设计的运动控制器, 详细分析了所设计运动控制器的硬、软件模块、PC104总线和MCX314芯片的接口电路、输入/输出信号电路、控制系统的软件模块及插补模块。该控制器可实现三轴联动直线插补、任意两轴联动圆弧插补。将所设计的运动控制器应用于实验室研制的火焰切割机, 实践结果表明, 即使在恶劣工业现场, 火焰切割机依然具有良好的工作性能。
关键词：PC104总线,MCX314芯片,插补
参考文献
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篇4：运动控制器
关键词：多关联体；协调运动；编队控制；一致性协议；自适应估计；逻辑动态系统
Dynamics Analysis and Control of Coordinated Motion in Multiagent Systems
Abstract：This study is concerned with issues concerning the dynamic analysis and control of multiagent systems， including formation control of the systems， distributed consensus control of switching， non-linear， and heterogeneous systems respectively， weighted multi model adaptive control， and analysis and control of logic dynamic networks etc. Based on approaches and methods from system and control theory， graph theory， and nonlinear system theory， it carries out dynamics analysis of the multiagent systems and establishes conditions of distributed coordination control and the corresponding design procedures. The main results are as follows. For the issue of formation control of self-driven multiagent systems， an approach making use of mid-range repulsive interactions and mixed topological structures is developed to realize the aggregation and splitting formation in the systems. This improves the existing methods in the literature that assume long-range attraction and short-range repulsion between a pair of agents in the systems so as to obtain bounded configurations. To study the influence of nonlinearities on collective motion of the systems， the consensus control of first-order nonlinear multiagent systems with directed network topology is considered and consensus conditions are derived， which suggest the controller design procedures. The problem of distributed control of consensus in heterogeneous multiagent systems is discussed under the assumption that only measured velocity information is available. In addition， the finite time consensus control problem is also discussed. For the issue of analysis and design of weighted multi-model adaptive control systems， the present work establishes stability conditions for continuous time systems， and gives a new algorithm for weight designed algorithm and proves its convergence. Compared with previous results， the new algorithm has a more quickly convergence speed and milder convergence conditions. The multi-degree-of-freedom motion controller that developed before is updated by enhancing the stability and real-time performance to meet the need of the project. Finally， issues of stabilization and optimal control of dynamic logic systems are investigated using the newly developed semi tensor product theory， necessary and sufficient algebraic conditions for global state feedback stabilization are obtained.
Keywords：Multiagent system； Coordinated motion； Formation control； Consensus protocol； Adaptive estimation； Dynamic logic system
篇5：运动控制上机实验报告
张磊
（江南大学 物联网工程学院, 江苏 无锡 214122)摘要：本文首先介绍了双闭环直流调速系统的组成及其特性，接着建立了其动态数学模型，分析了其动态性能，并通过SIMULINK仿真技术研究了其抗负载扰动能力。实验结果表明，双闭环直流调速系统具有良好的抗负载扰动特性。
关键词:抗负载扰动 动态数学模型 动态性能 SIMULINK The double-loop DC speed control system simulation
Based on SIMULINK
Zhang Lei(School of Internet of Things Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)Abstract:This paper introduces the double-loop DC speed system components and their characteristics, and then built its dynamic mathematical model to analyze its dynamic performance, and through SIMULINK simulation technology for its anti-load disturbances.Experimental results show that the double-loop DC speed control system has a good anti-load disturbance characteristics.Keywords: Anti-load disturbance Dynamic mathematical model Dynamic Performance SIMULINK
1引言
转速、电流双闭环直流调速系统调速范围宽、平稳性好、稳速精度高以及具有良好的动态性能，广泛应用于冶金、建材、印刷、电缆、机床和矿山等行业，在拖动领域中发挥着极其重要的作用，具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要，可以采用转速和电流两个调节器构成转速、电流双闭环调速系统，以获得近似理想的过渡过程。
图1 转速、电流双闭环直流调速系统 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图，如图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Um*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
2双闭环双闭环直流调速系统的组成及其特性
2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图1所示。即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
图2 双闭环直流调速系统电路
原理图 2.2稳态结构图和静特性
双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳稳态特征，一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器推出饱和，此时饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳太时总是为零。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节饱和与不饱和的两种情况。
图3 双闭环直流调速系统的
稳态结构框图
3双闭环直流调速系统的数学模型
3.1双闭环调速系统的动态数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示，图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。
图4 双闭环直流调速系统的
动态结构框图
3.2起动过程分析
双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图5所示。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
图5 双闭环直流调速起动过程的
转速和电流波形
第I阶段（0—t1）电流上升的阶段。突加给定
电压 Un*后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电
机还不能转动。当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，转速调节器ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id≈Idm，Ui≈Uim*。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，ACR一直不饱和。
第II阶段（t1--t2）恒流升速阶段。ASR始终
是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流Uim*给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n=n*。电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。在这一阶段，ASR处于饱和状态，电流无静差系统，转速线性上升，Id略小于Idm。
第Ⅲ阶段（t2 以后）转速调节阶段。ASR
和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使
Id尽快地跟随Ui*，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。当n=n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电机仍在加速，使转速超调。ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（t3-t4），Id 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制。 4双闭环直流调速系统的抗负载扰动仿真 双闭环调速系统一般来说具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗干扰性。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。本文研究了双闭环调速系统的抗负载扰动性能。 双闭环调速系统的抗负载扰动结构图如图5所示，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。 图5 双闭环调速抗负载扰动作用 本文研究了双闭环调速系统的抗负载扰动性能，基于MATLAB/SIMULINK接线图如图6所示，无扰动信号、阶跃扰动信号、正弦扰动信号作用下输出转速仿真结果如图7的（a）（b）（c）所示。 图6双闭环调速系统的抗负载扰动接线图 (a)无扰动信号 （b）阶跃扰动信号 （c）正弦扰动信号 实验结果表明，IdL改变时，负载扰动能较快的反映到被调量n上，从而得到调节，该系统具有很好的抗负载扰动性能。小结 由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。通过以上的仿真实验，转速环有效地抑制并消除了负载扰动的影响。 参考文献： 运动控制系统教学教案 一、编写说明 （一）本课程的性质、地位和作用 本课程是本科自动化专业工业电气自动化方向的专业限选课之一。通过本课程的学习，使学生掌握直流调速系统、交流调速系统的基本理论以及系统分析、工程设计方法，学会将自动控制的理论和方法应用到交、直流电动机调速系统中，培养学生综合运用所学知识、解决实际问题的能力，为成为电气自动化的工程人员打下良好的理论基础。 （二）教学基本要求 1．通过本课程的学习，学生应了解以下知识：电力拖动自动控制技术的发展、应用以及在本专业学科领域的地位和作用；电力拖动自动控制系统的主要结构特点以及基本性能指标；直流脉宽调速系统的基本控制模式；微机数字控制系统的主要特点；微机数字控制双闭环直流调速系统硬件和软件。 2．通过本课程的学习，学生应熟悉以下知识：建立闭环调速系统各典型环节静态、动态数学模型的一般方法；数字测速与滤波的实现方法；系统工程设计中的近似处理原则和方法；转速、电流双闭环直流调速系统的工程设计思路、方法；有环流可逆闭环调速系统的工作原理和实现方案；SPWM逆变器的控制模式和实现方案；变频调速的基本控制方式。 3．通过本课程的学习，学生应掌握以下知识：利用静态结构框图分析系统稳特性的方法；利用动态结构图分析系统稳定性和动态性能的方法；带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的稳态分析、参数设计；转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程分析、调节器的工程设计；微机数字控制系统中的数字测速；异步电动机变压变频调速系统中的脉宽调制技术；绕线式异步电动机串级调速原理。 （三）课程教学方法与手段 以课堂讲授为主，辅以习题和实验。 （四）实践环节 1．实验：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 主要内容和要求：测试带转速负反馈有静差调速系统的静特性，并与无转速负反馈时的开环机械特性进行比较。 学时分配：2学时 2．实验：转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 主要内容和要求：测定开环机械特性及闭环静特性，测定闭环控制特性。 学时分配：3学时 3．实验：双闭环三相异步电动机调压调速系统 主要内容和要求：测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性及双闭环交流调压调速系统的静特性、动态特性。 学时分配：3学时 4．实验：三相异步电机SPWM变频调速系统的实验 主要内容和要求：测试不同输出频率、不同调制方式时的调速特性及低压补偿特性。 学时分配：2学时 5．实验：双闭环三相异步电动机串级调速系统 主要内容和要求：测定开环串级调速系统的机械特性，测定双闭环串级调速系统的静特性。 学时分配：2学时 （五）教学时数分配表 （六）本课程与其它课程的联系 本课程应在《电机拖动基础》、《电力电子技术》、《自动控制理论》等课程之后开设。本课程综合了运用了多门课程的知识，《电机拖动基础》为学习本课程奠定了交、直流电机原理及应用基础，《电力电子技术》为本课程提供了电力电子功率变换装置方面的知识，《自动控制理论》提供了控制理论知识。 （七）教材与主要参考书 教材： 《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》（第4版） 陈伯时主编 机械工业出版社 .8 主要参考书： 1.《电力拖动自动控制系统》（第2版） 陈伯时主编 机械工业出版社 2. 《运动控制系统》 尔桂花主编 清华大学出版社 （八）说明 1.实验内容可以根据实验设备及具体情况稍加变动。实验至少保证12学时。 2.本课程考核以平时成绩占30%，期末考试成绩占70%来评定。平时考核学生出勤情况、完成作业、完成实验、课堂提问等情况，期末考试采用笔试。 二、教学内容纲要 第1章 绪论 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握运动控制系统的基本概念、组成、转矩控制规律。 2．了解运动控制系统的历史及发展情况。 3. 熟悉生产机械的负载转矩特性。 二、教学内容 1.1运动控制系统及其组成 △运动控制系统的概念及其组成 1.2运动控制系统的历史与发展 运动控制系统的历史及发展情况 1.3运动控制系统的转矩控制规律 运动控制系统的转矩控制规律 1.4生产机械的负载转矩特性 三类负载转矩特性 第2章 转速反馈控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1.掌握直流调速系统用的可控直流电源及其原理、动态数学模型，了解V-M系统、直流PWM调速系统的特点。 2.熟悉调速系统的稳态性能指标，熟记其计算公式，熟练掌握直流调速系统的机械特性。 3.掌握反馈控制直流调速系统的组成、工作原理、稳态结构框图及静特性分析、动态数学模型及动态分析，掌握积分、比例积分控制规律。 4.熟悉直流调速系统的数字控制问题。 4 5.掌握电流截止负反馈环节的工作原理及带电流截止负反馈直流调速系统的静特性。 6.熟悉调速系统的仿真过程。 二、教学内容 2.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.○V-M系统的触发脉冲相位控制、电流波形连续与断续、 2.△V-M系统的原理及其机械特性，晶闸管触发与整流装置的数学模型○旋转变流机组原理及静止可控整流器优缺点 3.△PWM变换器工作原理、数学模型，直流PWM调速系统的机械特性 2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的`机械特性 △稳态调速性能指标、直流调速系统的机械特性 2.3转速反馈控制的直流调速系统 1△○转速反馈控制直流调速系统的数学模型 2.△比例控制直流调速系统的静特性、反馈控制规律 3.△积分、比例积分控制规律 4.○直流调速系统的稳态误差分析 2.4直流调速系统的数字控制 1△微机数字控制的特殊问题、数字测速方法及应用场合 2.○转速检测的数字化、数字PI调节器 2.5反馈控制直流调速系统的限流保护 1.转速反馈控制直流调速系统的过电流问题 2.△电流截止负反馈环节的工作原理及其输入输出特性 3.△○带电流截止负反馈的直流调速系统稳态分析、参数计算 2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真 ○仿真模型的建立、运行及调节器参数的调整 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性、起动过程分析。 2. 熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型、动态抗扰性能分析。 3．熟悉调节器的工程设计方法。 4．熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。 二、教学内容 3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 1.△转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 2.△○系统稳态结构图与参数计算、静特性分析 3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析 1.△○系统起动过程分析 2.△系统动态抗扰性能分析、调节器的作用 3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 1.△控制系统的动态性能指标 2.△调节器工程设计方法的基本思路 3.○典型Ⅰ型、Ⅱ型系统参数与系统动态性能指标之间的关系，按工程设计法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器 3.4转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真 ○电流环的仿真，转速环的系统仿真 第4章 可逆控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握桥式可逆PWM变换器的工作原理，直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程。 2．了解直流PWM功率变换器的能量回馈，单片微机控制的PWM可逆直流调速系统的硬件、软件。 3. 掌握V-M可逆直流调速系统线路、环流问题。 二、教学内容 4.1直流PWM可逆调速系统 1.△桥式可逆PWM变换器电路、工作原理 2.○直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程 3.○直流PWM功率变换器的能量回馈、单片微机控制的PWM可逆直流调速系统 4.2 V-M可逆直流调速系统 1.△系统主电路及环流 2.○配合控制的有环流可逆V-M系统 3.△○转速反向的过渡过程分析 第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．了解异步电动机的稳态数学模型，熟悉异步电动机的调速方法。 2．掌握异步电动机调压调速的机械特性，转速闭环控制的交流调压调速系统组成、静特性 3．掌握变压变频调速的基本原理及其机械特性，变频器的基本结构，SPWM技术。 4. 了解转速开环变压变频调速系统结构及实现。 5. 掌握转差频率控制的概念及特点，了解转差频率控制系统结构及性能分析。 5.1异步电动机的稳态数学模型和调速方法 1.○异步电动机的稳态数学模型 2.△异步电动机的调速方法及气隙磁通 5.2异步电动机的调压调速 1. △系统主电路、调压调速的机械特性 2.△○闭环控制的调压调速系统 5.3异步电动机的变压变频调速 1.△变压变频调速的基本原理、机械特性 2.△○基频以下的电压补偿控制 5.4电力电子变压变频器 1.△变频器的结构分类，交-直-交PWM变频器主电路 2.△○SPWM技术 3.○消除指定谐波的PWM控制技术、电流跟踪PWM控制技术 5.5转速开环变压变频调速系统 ○系统结构及实现 5.6转差频率控制的变压变频调速系统 1.△转差频率控制的基本概念及特点 2.○系统结构及性能分析 第6章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握异步电动机双馈调速工作原理、串级调速系统的工作原理。 2．熟悉串级调速系统类型、机械特性。 3. 掌握双闭环串级调速系统结构、原理。 二、教学内容 6.1绕线转子异步电动机双馈调速工作原理 1△转子附加电动势的作用 2.△○双馈调速的五种工况 6.2绕线转子异步电动机串级调速系统 △串级调速系统的工作原理 2.串级调速系统的类型 6.3串级调速的机械特性 1△串级调速机械特性的特征、 2.○转子整流电路、机械特性方程式 6.4双闭环控制的串级调速系统篇6：运动控制系统教学教案