第10卷 第4期2006年7月
电 机 与 控 制 学 报
ELEC TR IC M ACH I NE S AND CON TRO L
Vo l .10N o .4Ju l y 2006
自抗扰控制器的飞机纵向运动控制律设计
熊治国
1,2
, 孙秀霞2, 胡孟权2, 尹 晖
2
(1.空军航空大学控制工程系,吉林长春130022;2.空军工程大学工程学院,陕西西安710038)
摘 要:为了实现较大包线内飞行速度和俯仰角变量的解耦控制,根据自抗扰控制器可以动态补偿系统模型扰动和外扰的特点,提出了利用自抗扰控制器对飞机纵向运动进行解耦控制的新方法。
在飞机纵向回路中引入自抗扰控制器,实现了纵向速度和俯仰角变量的解耦控制。直接针对飞机的非线性模型设计的自抗扰控制器在很大的包线范围内不需要改变控制器的结构和参数,简化了设计过程。大包线范围内的仿真结果表明,系统具有良好的动态性能,控制器具有很强的鲁棒性。关键词:飞行控制;自抗扰控制器;解耦控制;鲁棒控制
中图分类号:V 249.1
文献标识码:A
文章编号:1007-449X (2006)04-0420-04
Control la w design of a i rcraft longit udi nalm ove m e nt base d
on auto disturbances rejecti on controller
X I O NG Zhi -guo 1,2
, SUN X iu -xia 2
, HU M eng -quan 2
, Y I N Hui
2
(1Contro l Enginee ri ng D epar t m en t ,A ir Fo rce A via tion U niversit y ,Changchun 130022,China ;
2Instit u t e o f Eng ineering ,A ir Fo rce Enginee ri ng U niversit y ,X i ’an 710038,China )
Abst ract :In order realize decoup ling contr o l of fligh t speed and pitch angle ,based on t h e feature o fm od -el distur bances and uncertainty being co m pensa t e d dyna m icall y in au to -dstur bances -r e jecti o n -contr o ller
(ADRC ),a ne w m ethod using ADRC is pr oposed for the decoupling contro l of a ircraft longitudinalm ove -m en t and the decoupling con tro l is rea lized by applying ADRC .Furthe r m ore ,the design of fli g ht contr o l sy ste m is si m p lified by the sche m e proposed w ithou t chang i n g t h e str ucture and para m eters of contr o ll e r i n b ig fli g ht enve l o pe .S i m ula tion r esults sho w t h at the high dyna m ic perfo r m ance and r obustness perfor m -ance can be achieved by pr oposed m ethod.
K ey w ords :flight contr o l ;au t o -dist u rbances -re j e c tion -contr o ll e r ;decoupling con tro l ;robust control
收稿日期:2005-06-13;修订日期:2006-03-24
作者简介:熊治国(1977-),男,博士研究生,从事飞行控制方面的研究;
孙秀霞(1962-),女,教授、博士生导师,主要从事飞行控制等方面研究;
胡孟权(1972-),男,副教授、硕士生导师,主要从事飞行性能与控制方面的研究;尹 晖(1978-),男,讲师,从事飞行控制方面的研究。
1 引 言
飞机的动力学模型随飞行状态的改变而产生大幅度的摄动,所以飞控系统设计的难点在于找到能够适应飞机动力学模型变化的控制律,以保证在整个飞行包线内,飞行性能均能满足飞行品质指标的要求。增益调度控制是目前应用最广泛、最成功的
飞行控制律
[1]
,但增益调度本质上是一种试凑的方
法,涉及在全包线范围内众多平衡点构造飞机的线性定常近似系统并设计线性控制器,控制器性能必须通过详尽的仿真和飞行试验来验证,导致设计过程十分耗时、低效
[2]
;另一方面,飞行控制系统本质
上是一种非线性系统,随着对新一代战斗机机动性能要求的提高,增益调度方法将难以应对今后战斗
机对控制系统提出的要求。近年的研究表明,非线性动态逆在非线性飞控系统设计领域是一种有效的方法[3]
,但动态逆方法对建模误差比较敏感,如何提高控制器的鲁棒性一直是难以解决的问题。文献[4]提出的自抗扰控制器(ADRC )是在非线性PI D 控制律的基础上发展起来的一种新型非线性控制算法,它可直接应用于多种非线性系统的控制。本文直接针对飞机纵向运动的非线性模型引入自抗扰控制器,在控制器参数保持不变的条件下,实现了较大包线内飞行速度和俯仰角变量的解耦控制。
2 自抗扰控制器实现飞机纵向运动解耦控制的方法
2.1 自抗扰控制器的基本原理
设带有未知扰动的不确定对象为y
(n )
=f (y ,y
(1)
,…,y
(n -1)
)+ω(t )+b 0u (1)
其中,f 及ω(t )均未知,u 、y 分别为系统输入和输出,b 0为已知常数。取对象的状态变量为[x 1,x 2,…,x n ]
T
=[y (t ),y
(1)
(t ),…,y
(n -1)
]T
。令a (t )=
f ( )+ω(t ),它包含了系统模型和外扰的总和,称
之为系统的扩张状态变量。令b (t )=·a (t ),可得到系统的扩张状态方程为
·x 1=x 2 ·x 2=x 3 … ·x n -1=x n ·x n =a (t )+b 0u ·x n +1=b (t )y =x 1
(2)
构造系统(2)的“全维”非线性状态观测器,即式(1)的扩张状态观测器(ESO ):
·z 1=z 2-b 1g 1(z 1-x 1)·z 2=z 3-b 2g 2(z 1-x 1)
·z n =z n +1-b n g n (z 1-x 1)+b 0u ·z n +1=-b n +1g n +1(z 1-x 1)
(3)
其中g 1、g 2、…、g n +1为适当的非线性函数,b 1、b 2、…、b n 为常系数。通过参数的选择,ESO 稳定,且以一定的速度跟踪系统(2)的各状态
[5]
,即
z 1(t )→x 1(t ) … z n (t )→x n (t )z n +1(t )→x n +1(t )=a (t )
(4)
另外,ADRC 通过TD (跟踪微分器)为参考输入安排过渡过程即期望响应,得到参考输入υ0(t )的跟踪值及各阶导数
[6]
,记为υ1(t ),υ2(t ),…,υn (t )。最
后可得到系统的控制量为
u (t )=k 1h 1(υ1-z 1)+k 2h 2(υ2-z 2)+
…+
k n h n (υn -z n )+
z n +1/b 0(5)其中h 1、h 2、…、h n 为适当的非线性函数,k 1、k 2、…、k n 为常系数。z n +1/b 0作为反馈量将起到补偿系统扰动的作用,正是由于这种对系统模型扰动和外扰的适时补偿,使系统具有很强的鲁棒性。非线性组合可以有效构造经补偿后的积分串联型系统的动态特性。整个控制器的设计不依赖于被控对象的精确模型,符合飞行控制器设计的模型不精确、参数变化大等特点。
2.2 飞机纵向运动自抗扰控制器
飞机纵向运动可简化为关于速度、迎角和俯仰角三个相互耦合的回路。速度和迎角回路用一阶微分方程描述,俯仰角回路用二阶微分方程描述。迎角回路没有直接的控制量,外加控制通过其他状态变量来影响迎角,当速度、俯仰角和俯仰角速度达到稳态时,迎角也达到稳定值。所以,在控制器设计时,不考虑迎角回路的控制。
把各子回路间的耦合项当作模型扰动,在速度回路和俯仰角回路中分别独立引入一阶ADRC 和二阶ADRC ,借助于各自的ESO 估计出各子回路的扰动量。由于此扰动量包括了子回路间的耦合项以及外扰,故利用此扰动量的估计值对系统进行动态补偿,可使速度回路和俯仰角回路解耦为二个外特性互不干扰的子系统。再通过各个子系统状态反馈的非线性配置,可得到各回路理想的动态和稳态性
能。大包线内飞机模型摄动导致飞机本体短周期动
态性能变差,本文的方法对模型摄动进行了动态补偿,使闭环系统的性能基本不受模型摄动的影响,系统方块图如图1所示。
3 自抗扰控制器的具体构造
3.1 纵向运动方程
不研究高度和航程时,具有推力矢量的飞机纵
向运动非线性数学模型可描述为
V
=1
M
[-D -Mg si n (θ-α)]+
421
第4期自抗扰控制器的飞机纵向运动控制律设计
1
M
[T x cos α+T z sin α](6)
α·=q +1M V [-L +Mg cos (θ-α)]+
1
MV
[-T x sin α+T z cos α](7)
·q =–q S –c I y C m 0(α)+C mq (α)–c q 2V +C m δe δe
+
1I y TX T π
180δz
(8)θ·=q (9)
其中:状态变量V 、α、q 、θ分别为飞机的气流速度、迎角、俯仰角速度、俯仰角;T x 、T z 分别为发动机推力在飞机机体坐标系中的X 轴和Z 轴的分量;δe 和δz 分别为平尾和纵向推力矢量偏角。其他各参数具体意义见文献[7]。
考虑δz 较小,推力矢量在Z 轴分量T z 相对T x 很小,故在式(6)中忽略T z sin α,且取T x ≈T 。操纵力对α角的影响比操纵力矩小得多(约1/20)[7]
,故在式(7)中忽略T x 、T z 。这样方程(6)～(9)可改写为
V
=f v (x )+u v
(10)α·=f α(x )(11)θ¨=f θ(x )+u θ
(12)
其中,
f v (x )=1
M
[-D -Mg sin (θ-α)]
f α(x )=q +1
M V [-L +Mg cos (θ-α)]
f θ(
x )=–q S –c I y C m 0(α)+C mq (α)
–
c q 2V u v u θ
=G (x )u =
cos α
M 00
–q S –c I y C m δ
e 1I y TX T π
180
T δe
δz
(13)
其中x =V αq θT
表示系统状态。
3.2 自抗扰控制器算法
控制器设计方法为:分别根据式(10)、式(12)设计一阶和二阶ADRC ,得到u v 、u θ,再由式(13)得到推力T 并根据链式递增舵面分配算法H (x )(即首先将力矩分配到δe 上,如果δe 达到饱和,再将剩余力矩分配到δz 上)将控制力矩分配到δe 和δz 。两个子回路ADRC 的TD 方程为
·x i 1=x i 2
(14)
·x i 2=-R i fa l [x i 1-υic (t )+|x i 2|x i 2/2R i , a i 1,δi 1]
(15)
其中:i 是标号,分别表示V 、θ;υvc (t )=V c ;υθc (t )=
θc 。速度回路ADRC 的ESO 方程和控制量为
·z v 1=z v 2-b v 1fal (z v 1-V (t ),a v 2,δv 2)+
u vc (16)·z v 2=-b v 2fal (z v 1-V (t ),a v 3,δv 3)
(17)
u vc =b v 0fal (x v 1-z v 1,a v 4,δv 4)-z v 2
(18)俯仰角回路ADRC 的ESO 方程和控制量为
·z θ1=z θ2-b θ1fal (z θ1-θ(t ),a θ2,δθ2)+u θc (19)·z θ2=z θ3-b θ2fal (z θ1-θ(t ),a θ3,δθ3)(20)
·z θ3=-b θ3fa l (z θ1-θ(t ),a θ4,δθ4)(21)u θc =b θ0fal (x θ1-z θ1,a θ5,δθ5)+(22) b θ1fal (x θ2-z θ2,a θ6,δθ6)-z θ3(23)
T
δe δz
T
=H (x ) u vc u θc
T
(24)
在式(14)～(23)中,非线性函数
fa l (z ,a ,δ)=
|z |a
sign (z )|z |≥δ|z |/δ
1-a
|z |<δ
其中,sign ( )为符号函数。在俯仰角回路ADRC 的ESO 方程(19)～(21)中,3个fal ( )函数参数的a 、
δ取相同值,分别为0.1、0.001,系数b θ1、b θ2、b θ3分别取20、50、80。跟踪微分器TD 的R 和非线性组合的系数b 0、b 1与对系统响应速度的要求有关,本文分别取为80、5、10。其他参数以及速度回路参数的取值不再赘述,基本原则可参考文献[5-6]。
4 数值仿真
对某第三代战斗机进行数值仿真。选择3个飞行状态,控制器参数保持不变,验证控制律的线性化和解耦效果以及控制律的鲁棒性。3个状态为:①高度H =1000m ,初始速度V 0=135m /s ;②高度H =6000m ,初始速度V 0=150m /s ;③高度H =8000m ,初始速度V 0=200m /s 。仿真结果分别见图2～4。图中的(a )、(b )分别为速度V 和俯仰角θ响应曲线,其中,虚线表示指令信号,实线表示系统响应;(c )为平尾δe 的动态过程。
由图2、图3和图4(a )、(b )可见,速度和俯仰角响应基本上线性且互不干扰地跟踪指令信号,速度响应没有超调,俯仰角响应的超调量小于5%,动态过程小于0.5s ,符合飞机短周期运动的要求,说明控制律能够很好地实现线性化和解耦控制。在3个不同状态下ADRC 的参数不变,表明控制器具有很强的鲁棒性。在ADRC 参数不变的前提下,本文在很大包线范围内进行了仿真,结果表明速度和俯仰角均能实现解耦控制,并具备良好的动态性能需
422
电 机 与 控 制 学 报 第10卷
要指出的是,目前只能通过仿真得到控制器性能随飞行状态变化的情况。由于控制器的鲁棒性,只需要在全包线内设定有限的几组参数即可达到控制要求,这使得控制器设计的工作量大大低于传统增益调度方法.
由图2、图3和图4的(c)可见,δe保持在允许的范围内。由于常规舵面即可满足控制力矩的要求,根据舵面分配算法,不需要起用推力矢量舵面δz,其偏转为零。另外,3个状态下推力T均在允许的范围内变化。
5 结 语
随着飞机飞行包线的不断扩大和机动性的不断提高,对飞行控制器也会提出越来越高的要求,传统增益调度技术可能逐渐难以胜任[2]。而其他飞控系统设计方法如自适应控制律、智能控制律、非线性动态逆等方法都有各自的局限且还在进一步的研究[2-3]。自抗扰控制器的应用为更好地解决飞行控制问题提供了一种新的思路,它的设计直接针对飞机的非线性模型,在很大的包线范围内不需要改变控制器的结构和参数,简化了控制器的设计,所以其在飞行控制领域有广阔的应用前景。从本文纵向回路控制器的设计过程看,自抗扰控制器的设计无需飞机的精确模型,在很大的包线范围内,飞机模型参数发生了很大的变化,但控制器的参数保持不变,就基本能够实现系统的解耦控制,并获得相当理想的动态性能,表明本文设计的控制律具有很强的鲁棒性。但利用一组参数无法完成全包线范围内的控制,如何从理论上找到一种可以指导在全包线范围内进行控制器调参的方法还有待进一步研究。
(下转第430页)
423
第4期自抗扰控制器的飞机纵向运动控制律设计
从以上给出的仿真图可以看出,闭环系统状态渐近趋近于原点,如图1所示;滑模切换面函数s(t)也趋近于原点,表明系统状态进入滑模面产生滑动模态,如图2所示。因此该方案达到了控制系统的目的并保证了系统滑动模态的鲁棒L2-L∞性能。
7 结 语
本文针对一类非线性不确定时滞系统,结合L2
-L∞控制与变结构控制两种鲁棒控制方法设计反馈控制器,给出了使系统鲁棒稳定的充分条件,并给予证明。结合数值实例,证明了该方法的可行性。由于变结构控制存在一定的抖振问题,可以在今后的研究中结合智能控制予以消除。参考文献:
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(上接第423页)
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430电 机 与 控 制 学 报 第10卷
【程序1】 题目：古典问题：有一对兔子，从出生后第3个月起每个月都生一对兔子，小兔子长到第三个月后每个月又生一对兔子，假如兔子都不死，问每个月的兔子总数为多少？ 1.程序分析：兔子的规律为数列1,1,2,3,5,8,13,21.... 【程序2】 题目：判断101-200之间有多少个素数，并输出所有素数。 1.程序分析：判断素数的方法：用一个数分别去除2到sqrt(这个数)，如果能被整除， 则表明此数不是素数，反之是素数。 【程序3】 题目：打印出1000以内所有的"水仙花
数"，所谓"水仙花数"是指一个三位数，其各位数字立方和等于该数本身。例如：153是一个"水仙花数"，因为153=1的三次方＋5的三次方＋3的三次方。 1.程序分析：利用for循环控制100-999个数，每个数分解出个位，十位，百位。 【程序4】 题目：将一个正整数分解质因数。例如：输入90,打印出90=2*3*3*5。 程序分析：对n进行分解质因数，应先找到一个最小的质数k，然后按下述步骤完成： (1)如果这个质数恰等于n，则说明分解质因数的过程已经结束，打印出即可。 (2)如果n<>k，但n能被k整除，则应打印出k的值，并用n除以k的商,作为新的正整数你n,重复执行第一步。(3)如果n不能被k整除，则用k+1作为k的值,重复执行第一步。
【程序5】 题目：利用条件运算符的嵌套来完成此题：学习成绩>=90分的同学用A表示，60-89分之间的用B表示，60分以下的用C表示。 1.程序分析：(a>b)?a:b这是条件运算符的基本例子。 【程序6】 题目：输入两个正整数m和n，求其最大公约数和最小公倍数。 1.程序分析：利用辗除法。 【程序7】
《运动控制系统》课程设计报告 时间 2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博 __ 学号 41151093 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______
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《运动控制系统》课程设计报告 时间2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博__ 学号 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______
摘要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation
一、研究意义 1.研究意义 由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。目前, 基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的P ID控制。PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后等特性, 很难用精确的数学模型描述, 这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。另外, 经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数, 无刷直流电机又具有数学模型复杂，非线性等特点，这给现场调试增加了难度。 2.国内外研究状况及发展 （1）无刷直流电机基本控制方法 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(V1～V6)分为上臂(V1、V3、V5)/下臂(V2、V4、V6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。电机驱动电路如图？所示。 图1 无刷直流电机的控制电路
程序设计典型例题解析(2)
典型例题解析（2） 一、填空题 1．以顺序输入模式打开“c:\source1.txt”文件的命令是（1）；以输出方式打开“c:\source2.txt”文件的命令是（2）。 分析：Print # 语句用于将把数据写入文件中。Print语句格式为： Open 文件名 [For模式] As [#] 文件号 “For 模式”为指定打开文件的模式是数据的输入模式还是输出模式。 结论：答案应为：（1）Open "c:\source1.txt" For Input As #1 （2）Open "c:\source2.txt" For Output As #2 2.在Visual Basic中，文件系统控件包括（1）、（2）和文件列表框（FileListBox）。三者协同操作可以访问任意位置的目录和文件，可以进行文件系统的人机交互管理。 分析：在Visual Basic中，文件系统控件包括驱动器列表框（DriveListBox）、目录列表
框（DirListBox）和文件列表框（FileListBox）。驱动器列表框可以选择或设置一个驱动器，目录列表框可以查找或设置指定驱动器中的目录，文件列表框可以查找指定驱动器指定目录中文件信息，三者协同操作可以访问任意位置的目录和文件，可以进行文件系统的人机交互管理。 结论：答案应为：（1）驱动器列表框（DriveListBox）（2）目录列表框（DirListBox） 3．每次重新设置驱动器列表框的Drive属性时，都将引发（1）事件。可在该事件过程中编写代码修改目录列表框的路径，使目录列表框内容随之发生改变。 分析：在Visual Basic中，每次重新设置驱动器列表框的Drive属性时，都将引发Change事件。可在Change事件过程中编写代码修改目录列表框的路径，使目录列表框内容随之发生改变。驱动器列表框的默认名称为Drive1，其Change事件过程的开头为Drive1_Change()。 结论：答案应为：（1）Change 4．目录列表框用来显示当前驱动器下目录
1、加法练习程序：由用户通过键盘输入加数和被加数，程序显示加法式子，用户通过键盘作答后，程序给出正确与错误提示信息。要求：利用C的选择语句if条件语句或switch 开关语句，键盘输入数据前，程序会出被输入数据的信息提示。 #include
基于 PLC 的两轴运动控制系统设计 学生姓名：张坤森 学号：2014062038 指导教师;彭宽栋 专业：机电一体化 杭州科技职业技术学院 摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。 关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制 0 前言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。 1 系统组成 本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门
子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有 0. 22μ s [ 6] 。 2 系统总体设计 该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图 1
大学经典C语言编程试 题
1.输入两个正整数，m和n，求其最大公约数和最小公倍数。 #include<> void main() { int hcf(int,int); /*函数声明*/ int lcd(int,int,int); /*函数声明*/ int u,v,h,l; printf("Please ｉｎｐｕｔ two numbers:\n"); scanf("%d,%d",&u,&v); h=hcf(u,v); l=lcd(u,v,h); } int hcf(int u,int v) { int t,r; if(v>u) {t=u;u=v;v=t;} while((r=u%v)!=0) {u=v;v=r;} return(v); } int lcd(int u,int v,int h) { return(u*v/h); } 2.输入一行字符，分别统计出其中字母、空格、数字和其他字符的个数。 #include<> int letter,digit,space,others; void main() { void count(char[]); char text[80]; printf("Please ｉｎｐｕｔ string:\n"); gets(text); printf("string:\n"); puts(text); letter=0; digit=0; space=0; others=0; count(text); printf("letter:%d,digit:%d,space:%d,others:%d\n",letter,digit,space,others); } void count(char str[]) {
运动控制系统 实验指导书 赵黎明、王雁编 广东海洋大学信息学院自动化系
直流调速 实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图6-7。 四．实验设备及仪表 1．MCL系列教学实验台主控制屏。 2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。 3．MCL—33(A)组件或MCL—53组件。 4．MEL-11挂箱 5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。 6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。 7．直流电动机M03。 8．双踪示波器。 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1
即可正常工作。 6．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。 8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的调试（主电路未通电） （a）用示波器观察MCL—33（或MCL—53，以下同）的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V 的双脉冲。 （b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 注：如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d 3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性 a．断开G（给定）和U ct的连接线，ASR的输出接至U ct，把ASR的“5”、“6”点短接。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节U uv，U vw，U wu为200伏。 c．调节给定电压U g至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。 调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载范围内测取7～8
第三章飞机的稳定性和操纵性 3.1 飞机的稳定性 在飞行中，飞机会经常受到各种各样的扰动，如气流的波动、发动机工作不稳定、飞行员偶然触动驾驶杆等。这些扰动会使飞机偏离原来的平衡状态，而在偏离以后，飞机能否自动恢复原状，这就是有关飞机的稳定或不稳定的问题。 飞机的稳定性是飞机本身的一种特性，与飞机的操纵性有密切的关系。例如，飞行员操纵杆、舵，需要用力的大小，飞机对杆、舵操纵的反应等，都与飞机的稳定性有关。因此，研究飞机的稳定性是研究飞机操纵性的基础。 所谓飞机的稳定性，就是在飞行中，当飞机受微小扰动而偏离原来的平衡状态，并在扰动消失以后，不经驾驶员操纵，飞机能自动恢复原来平衡状态的特性。 3.1.1 纵向稳定性 飞机的纵向稳定性是指飞机绕横轴的稳定性。 当飞机处于平衡飞行状态时，如果有一个小的外力干扰，使它的攻角变大或变小，飞机抬头或低头，绕横轴上下摇摆(也称为俯仰运动)。当外力消除后，驾驶员如果不操纵飞机，而靠飞机本身产生一个力矩，使它恢复到原来的平衡飞行状态，我们就说这架飞机是纵向稳定的。如果飞机不能靠自身恢复到原来的状态，就称为纵向不稳定的。如果它既不恢复，也不远离，总是上下摇摆，就称为纵向中立稳定的。飞机的纵向稳定性也称为俯仰稳定性。 飞机的纵向稳定性由飞机重心在焦点之前来保证。影响飞机纵向稳定性的主要因素有飞机的水平尾翼和飞机的重心位置。下面，我们首先来看一下水平尾翼是如何影响飞机的纵向稳定性的。 当飞机以一定的攻角作稳定的飞行时，如果一阵风从下吹向机头，使飞机机翼的攻角增大，飞机抬头。阵风消失后，由于惯性的作用，飞机仍要沿原来的方向向前冲一段路程。这时由于水平尾翼的攻角也跟着增大，从而产生了一个低头力矩。飞机在这个低头力矩作用下，使机头下沉。经过短时间的上下摇摆，飞机就可恢复到原来的飞行状态。 同样，如果阵风从上吹向机头，使机头下沉，飞机攻角减小，水平尾翼的攻角也跟着减小。这时水平尾翼上产生一个抬头力矩，使飞机抬头，经过短时间的上下摇摆，也可使飞机恢复到原来的飞行状态。 除水平尾翼外，飞机的重心位置对纵向稳定性也有较大的影响。重心靠后的飞机，其纵向稳定性要比重心靠前的差。其原因是：重心与焦点距离小攻角改变时产生的附加力矩减小。对于重心靠后的飞机，当飞机受扰动而增大攻角时，机翼产生的附加升力是使机头上仰，攻角进一步增大，形成不稳定力矩。这时主要靠水平尾翼的附加升力，使机头下俯，攻角减小，保证飞机的纵向稳定性。 1
1.逆序输出正三位数 #include
double c=(a+b)/2.0; /* scanf("%d",&amount); 这是注释，我随便放的，没意义 int change=amount-price;*/ printf("%d和%d的平均值是%f\n",a,b,c); return 0; } 4.写出程序的输出： int i=1; switch ( i/3 ) { case 0: printf("zero"); case 1: printf("one"); case 2: printf("two"); } 正确答案是：zeroonetwo。 5.水仙花数是指一个N位正整数（N>=3），它的每个位上的数字的N次幂之和等于它本身。例如：153 = 13 + 53+33。本题要求编写程序,计算所有N位水仙花数。 输入格式： 输入在一行中给出一个正整数N（3<=N<=7）。 输出格式： 按递增顺序输出所有N位水仙花数，每个数字占一行。 输入样例： 3 输出样例： 153 370 371 407
电气传动2017年第47卷第4期 永磁同步电机调速系统自抗扰控制器的设计 曾岳南，曾祥彩，蔡豪，汪亮亮 （广东工业大学自动化学院，广东广州510006） 摘要：将自抗扰控制器（ADRC ）运用到永磁同步电机（PMSM ）调速系统控制中。电流环采用一阶非线性自抗扰控制器（NLADRC ）抵消电流环反电势的影响，减小电流跟踪误差和相电流总谐波畸变（THD ）；转速环采用一阶线性自抗扰控制器（LADRC ）对负载转矩和黏滞摩擦进行补偿，提高系统转速稳定性；最后利用基于带宽的参数整定公式整定控制器参数。仿真和实验结果表明系统具有良好的转速稳定及抗负载扰动能力，验证了控制器设计的有效性。 关键词：永磁同步电机；自抗扰控制器；调速系统；参数整定中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI ：10.19457/j.1001-2095.20170401 Active Disturbance Rejection Controller Design for PMSM Speed Regulation System ZENG Yuenan ，ZENG Xiangcai ，CAI Hao ，WANG Liangliang （Automation Faculty ，Guangdong University of Technology ，Guangzhou 510006，Guangdong ，China ）Abstract:Active disturbance rejection controller （ADRC ）was applied to speed control of permanent magnet synchronous motor （PMSM ）regulation system.Nonlinear ADRC （NLADRC ）were employed for d and q axis current regulation ，so that the effect of back EMF was cancelled by NLADRC ，furthermore ，the tracking error and total harmonic distortion （THD ）of phase current were https://www.doczj.com/doc/904586296.html,DRC were employed for speed regulation ，the load torque and viscous friction were compensated by LADRC ，as a result ，the speed stability was improved effectively. Finally the controller parameters were tuned based on the bandwidth formula.The simulation and experimental results show that the system has good speed stability and load disturbance performance ，which proves effectiveness of the controller design. Key words:permanent magnet synchronous motor ；active disturbance rejection controller ；speed regulation system ；parameters tuning 作者简介：曾岳南（1962-），男，博士，教授，Email ：zengyn@https://www.doczj.com/doc/904586296.html, ELECTRIC DRIVE 2017Vol.47No.4 文献［1］将自抗扰控制器应用到火炮伺服控制系统中，推导出火炮系统自抗扰控制器的设计和离散化方法，系统具有较好的鲁棒性和位置跟随性能，但未给出控制器的参数整定方法。文献［2］为了更好地描述实际物理模型，将ADRC 中的状态误差反馈改为比例+分数阶积分的方式，取得了较好的控制效果，但是分数阶积分算法较复杂，计算量大。文献［3］设计了一种直线伺服电机自抗扰控制器，并给出了控制器增益调整的规律，但调整规律比较难以获得，并且整定参数时，没有考虑实际物理系统中的噪声问题。文献［4］将二阶ADRC 应用到机床切削控制系统中，对位置、转速同时控制，取得了较好的控制效果，但未给出控制器的参数选取方法。 本文详细推导了PMSM 调速系统转速环LADRC 、电流环NLADRC 的设计方法，利用基于带宽的参数整定公式得到控制器参数，进行了仿真和实验。仿真和实验结果验证了电流环以及转速环控制器设计的正确性和有效性。 1PMSM 转速环LADRC 控制器设计 LADRC 具有算法简单、参数整定方便等优 点，适用于对带宽要求不高的场合，为此转速环采用LADRC ，包括线性跟踪微分器（LTD ）、线性扩展状态观测器（LESO ）以及线性状态误差反馈（LSEF ）3个部分。 转速控制器输入为转速给定值和反馈值，输出为转矩电流给定。根据PMSM 的电磁转矩和 3 万方数据
１.逆序输出正三位数 #ｉncludｅ
double c=(a+b)/2.0； /*scａnｆ（"％d",＆ａmount)； 这是注释,我随便放的，没意义 ｉnt cｈanｇｅ=amoｕｎｔ－prｉｃe;＊／ prｉntf("％ｄ和%d的平均值是％ｆ\n",a,b,ｃ); ｒeturn０; } 4．写出程序的输出： int i=１; switch(i/３)｛ cａse0:ｐrintｆ("zｅro"）; caｓe1：ｐriｎtf(＂one＂）; case2:printｆ("two"); } 正确答案是:zeｒｏｏnetｗｏ。 5.水仙花数是指一个Ｎ位正整数（N>=3），它的每个位上的数字的N次幂之和等于它本身。例如：153 = 13 + 53+33。本题要求编写程序,计算所有N位水仙花数。 输入格式： 输入在一行中给出一个正整数N(３<=N<=7)。 输出格式: 按递增顺序输出所有N位水仙花数,每个数字占一行。 输入样例: 3 输出样例: 15３ 370 371 ４０７
目录 目录 目录 (1) 1 绪论 (1) 2 问题描述 (1) 3 发展现状 (2) 3.1 非线性跟踪微分器 (2) 3.2 扩张状态观测器 (3) 3.3 自抗扰控制律 (4) 3.4 参数整定问题 (4) 4 未来展望 (15分) (4) 5 结论 (5) 参考文献 (6)
1 绪论 自抗扰控制是韩京清先生以对控制理论的反思为开端提出的以反馈系统的标准型（积分器串联型）为基础，以工程控制的鲁棒性为目标的控制技术[1-5]。其思想是以工业界占主导地位的PID控制为出发点，在改进非线性PID的基础上提出自抗扰的概念，算法简单，在未知强非线性和不确定强扰动的作用下仍能够保持控制精度。在国内，自抗扰控制技术在四旋翼无人机控制[6]、航天器姿态控制[7]、精密车床中快速刀具的伺服控制[8]、电机的励磁控制[9]等方面均有应用案例。在国外，自抗扰控制于2009年通过了运动控制的工业评估[10]；2013年，德州仪器开始在全球发布以自抗扰为技术核心的运动控制芯片[11]。可见，自抗扰控制技术具备巨大的潜力与工程应用前景。 2 问题描述 1989年，韩京清先生提出了对控制领域的疑问——模型论还是控制论。模型论“靠系统的数学模型去找控制率”，后者依靠的是系统的“某些响应特征或过程的某些实时信息”。 而“通过误差来消除误差”正是简单的线性PID所蕴含的朴素思想，也是PID能够在工业界获得广泛应用的原因。而以现代控制理论为代表的控制理论虽然在数学上严密可证，然而在实际应用中却较少，因为实际的控制对象总是不可避免地存在未知与不确定性。因此，反思控制理论数学化带来的理论与工业实践的脱节，探索新的控制技术与理论是有必要的。而自抗扰控制技术就是基于以上的问题，以PID为出发点，探索控制技术与理论的新方向。
循环结构程序设计典型例题 例1有数列2/3、4/5、6/9、10/15……求此数列前30项的和。 算法分析： 对于数列的题，首先要找出通项公式，或前后项的计算关系公式，根据公式求所需。由于数列的题一般执行次数能确定，用for语句来编写比较方便。 此题，前后项的关系是：后一项的分子是前一项的分母加1,后一项的分母是前一 项的分子加分母。解题思路是用循环语句求各项，并把值累加，因为是求前30项的和，循环执行30次。 1.初值i=2,j=3,s=0; 2.用n从1到30循环 3.s=s+ i/j; 4.c=i; i=j+1; j=c+j; 5输出s； 程序： #in clude
《运动控制系统仿真》实验讲义 谢仕宏 xiesh@https://www.doczj.com/doc/904586296.html,
实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真 一、实验学时：6学时 二、实验内容： 1. 已知控制系统框图如图所示： 图1-1 单闭环系统框图 图中，被控对象s e s s G 1501 30010 )(-+= ，Gc(s)为PID 控制器，试整定PID 控制器 参数，并建立控制系统Simulink 仿真模型。再对PID 控制子系统进行封装，要求可通过封装后子系统的参数设置页面对Kp 、Ti 、Td 进行设置。 2. 已知直流电机双闭环调速系统框图如图1-2所示。试设计电流调节器ACR 和转速调节器ASR 并进行Simulink 建模仿真。 图1-2 直流双闭环调速系统框图 三、实验过程： 1、建模过程如下： （1）PID 控制器参数整顿 根据PID 参数的工程整定方法（Z-N 法），如下表所示， Kp=τ K T 2.1=0.24，Ti=τ2=300， Td=τ5.0=75。 表1-1 Z-N 法整定PID 参数
（2）simulink仿真模型建立 建立simulink仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置： 图1-3 PID控制系统Simulink仿真模型 图1-3中，step模块“阶跃时间”改为0，Transport Delay模块的“时间延迟”设置为150，仿真时间改为1000s，如下图1-4所示： 图1-3 PID控制参数设置 运行仿真，得如下结果：
图1-5 PID控制运行结果 （3）PID子系统的创建 首先将参数Gain、Gain1、Gain三个模块的参数进行设置，如下图所示： 图1-6 PID参数设置 然后建立PID控制器子系统，如下图1-7所示： 图1-7 PID子系统 再对PID子系统进行封装，选中“Subsystem”后，单击鼠标右键，选择“Mask subsystem”，弹
自抗扰控制器设计原理 1非线性跟踪微分器 跟踪微分器(tacking-differentiator, TD)是这样的一个非线性动态环节：对于输入信号v(t)，它将在平均收敛和弱收敛意义下，输出信号v(t)及其高阶导数(或广义导数)的光滑逼近。本文采用二阶TD的离散算法，即 其中，h为步长；h 为滤波因子；r为速度因子。 本文设计的气压伺服自抗扰控制器中，TD主要有两个作用：一是在伺服定位控制中利用TD控制过渡过程，降低系统起始误差。根据定位信号和系统所能承受的“能力”，利用TD控制一个合适的过渡过程，使系统的输出跟踪这个控制的过渡过程，就可实现快速而又无超调地跟踪阶跃信号的目的，并且使控制器的鲁棒性和适应性得到较大改善。二是提取输入信号的微分(速度)。作为前馈参与控制，减小控制系统响应的相位滞后。 2 扩张状态观测器 扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心，其作用是利用系统输出，估计受未知外扰作用的非线性不确定对象的扩张状态，以实现反馈控制及扰动补偿。 针对式(4)，设系统变量：x 1=x，x 2 =x，x 3 =x；系统输出y=x 1 。则系 统状态方程可写为
定义系统总扰动为扩张状态： x 4 =a(t)=f(x，x，x，w(t)) (3) 系统的扩张状态方程为 根据式(4)，设计四阶扩张状态观测器，其离散算法如下： 合理配置式(5)参数，使其稳定，则Z 21、Z 22 和Z 23 分别实时跟踪系统 的状态x 1,x 2 和x 3 ，而Z 24 实时跟踪系统的总扰动即扩张状态a(t)。 3 气压伺服系统自抗扰控制器 自抗扰控制器是基于跟踪微分器安排过渡过程，利用扩张状态观测器估计系统状态、模型和外扰，并采用非线性状态误差反馈控制规律的一种非线性控制器，在线性系统理论中，状态反馈控制采用的是系统状