便携式数字伺服系统控制算法研究

伺服系统控制算法研究伺服系统是机器人、工具机、电机等机电一体化设备的关键部件。

正常的伺服系统需要按照给定的控制指令精确地控制输出信号的电压、电流等参数，从而达到精确的位置或速度控制。

因此，对伺服系统控制算法的研究具有重要意义。

目前，主流的伺服系统控制算法主要包括P控制、PI控制、PID控制、模糊控制等。

其中，PID控制算法是最为经典的伺服系统控制算法之一，其PID控制器在控制工程中被广泛应用。

PID控制器的具体实现流程包括三个部分，即比例环节、积分环节和微分环节。

比例环节根据控制误差与系统外部给定值之间的差值，对输出信号进行增益控制；积分环节用于消除系统的静差，从而增强系统的稳定性和精度；微分环节则用于补偿控制误差的变化速度，减少系统的超调和震荡。

PID控制器的最终输出值是比例环节、积分环节和微分环节的加权和。

尽管PID控制器是一种经典的伺服系统控制算法，但其存在着许多缺陷和局限性。

例如，在处理非线性、时变系统时，PID控制器可能会出现震荡或不稳定的情况。

此外，PID控制器对于控制系统的参数非常敏感，一旦参数设置出现偏差，往往会导致系统的性能下降。

为了克服PID控制器的局限性，近年来，越来越多的研究人员开始关注模糊控制算法。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它能够在处理非线性、时变系统时表现出更好的控制效果。

在模糊控制中，通过将系统的输入、输出与规则集联系起来，以模糊等级的形式进行控制，从而达到更加准确、稳定的控制效果。

除了模糊控制算法之外，神经网络控制算法也成为了当前伺服系统控制算法研究的热门领域之一。

神经网络控制算法是一种基于人工神经网络技术的控制算法，其特点是具有强大的非线性建模能力和自适应性能，能够对于不同类型的系统进行高度自适应的控制。

在伺服系统控制算法研究的过程中，除了控制算法的优化和改进之外，还需要对控制系统进行深入的理解和建模。

伺服系统控制模型的建立是伺服系统控制算法研究的重中之重，它对于控制系统的稳定性、精确度和可靠性都具有重大影响。

《基于ARM的伺服控制器研发》一、引言随着工业自动化水平的不断提高，伺服控制系统在制造业中扮演着越来越重要的角色。

为了满足工业的高精度、高速度和高效率的要求，基于ARM的伺服控制器研发成为了当前研究的热点。

本文将介绍基于ARM的伺服控制器的研发背景、意义、研究现状以及本文的研究内容和方法。

二、研发背景与意义伺服控制系统是一种用于精确控制机械运动位置、速度和加速度的系统。

在制造业中，伺服控制系统广泛应用于各种自动化设备中，如数控机床、机器人、自动化生产线等。

随着工业技术的不断发展，对伺服控制系统的性能要求越来越高。

基于ARM 的伺服控制器具有高性能、低功耗、高集成度等优点，可以有效地提高伺服控制系统的性能，满足工业生产的需求。

三、研究现状目前，国内外对于基于ARM的伺服控制器的研发已经取得了一定的成果。

在硬件方面，研究人员通过优化电路设计、选择高性能的处理器和存储器等措施，提高了伺服控制器的处理速度和精度。

在软件方面，研究人员通过优化算法、改进控制策略等措施，提高了伺服控制器的控制精度和响应速度。

然而，仍存在一些问题和挑战，如如何进一步提高控制精度、如何降低功耗等。

四、研发内容与方法1. 硬件设计基于ARM的伺服控制器硬件设计主要包括处理器选择、电路设计、存储器选择等。

处理器选择要考虑处理速度、功耗和集成度等因素；电路设计要考虑到信号的稳定性和抗干扰能力；存储器选择要考虑到存储容量和读写速度等因素。

此外，还需要考虑散热设计、电源管理等其他因素。

2. 软件设计软件设计是伺服控制器研发的核心部分。

主要包括控制算法的选择和优化、控制策略的制定和实现等。

控制算法的选择要根据实际需求和系统性能要求进行选择，如PID控制算法、模糊控制算法等。

控制策略的制定要考虑系统的稳定性、快速性和精度等因素。

此外，还需要考虑软件的可靠性、易用性和可维护性等因素。

3. 实验与测试实验与测试是验证伺服控制器性能的重要环节。

通过对伺服控制器进行静态和动态实验，测试其性能指标，如响应速度、控制精度、稳定性等。

某火箭炮伺服控制系统设计及控制算法研究的开题报告一、研究背景及意义火箭炮是一种重要的作战装备，其实际作战效果受到火箭炮控制系统的影响。

伺服控制系统是火箭炮控制系统中的重要组成部分，其作用是实现火箭炮瞄准和发射控制。

伺服控制系统包括电机、传感器以及控制算法等多个方面，其设计和控制算法的研究对保障火箭炮的作战效果具有重要意义。

目前，国内外对火箭炮伺服控制系统设计和控制算法的研究相对成熟，但是针对不同的火箭炮型号和不同的使用环境，仍然需要进一步优化控制算法和设计伺服控制器。

因此，本研究旨在针对某一特定型号的火箭炮，设计伺服控制系统，并研究适合该火箭炮的控制算法，以提高火箭炮的瞄准精度和射击效果，具有现实的应用价值。

二、研究内容及方法1. 火箭炮伺服控制系统设计：对某一特定型号的火箭炮进行分析，设计合适的伺服控制系统，包括电机、传感器等硬件选型和电路设计等方面。

2. 火箭炮控制算法研究：针对该型号火箭炮的控制需求，研究适合该火箭炮的控制算法，包括 PID 控制算法、精确定位算法等方面。

3. 系统模拟与实验验证：通过 MATLAB/Simulink 软件进行伺服控制系统的模拟，并进行实验验证，验证系统设计和控制算法的准确性和有效性。

三、论文结构本文将分为五个章节，具体结构如下：第一章：绪论。

介绍研究背景和意义，阐述研究内容和方法，概述论文结构。

第二章：火箭炮伺服控制系统设计。

对火箭炮进行分析，选取合适的伺服控制系统组件并进行电路设计。

第三章：火箭炮控制算法设计。

针对该型号火箭炮的控制需求，研究适合该火箭炮的控制算法，并进行模拟分析。

第四章：系统模拟与实验验证。

通过 MATLAB/Simulink 软件进行伺服控制系统的模拟，并进行实验验证。

第五章：结论与展望。

总结研究成果，阐述本研究的创新点和不足之处，并对未来的研究进行展望。

四、预期成果通过本研究，预计实现以下成果：1. 设计出适合该型号火箭炮的伺服控制系统，并进行电路设计。

数字交流伺服系统实验报告姓名：学号：指导老师：学院：数字交流伺服系统实验报告一、实验目的通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的位置控制器设计与系统调试方法。

二、实验内容及结果1. 对系统进行理论分析伺服系统又称随动系统，是用于精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

随着工业应用要求的进一步提高，使得位置伺服系统不仅要有很高的定位精度，无超调的定位过程，而且还要保证有尽可能快的动态响应。

目前，应用于数控机床的伺服定位系统中，位置指令通常由上位控制器经固定的算法提供给伺服系统。

由于伺服系统在对指令的响应过程中存在加速和减速的过程，为了避免加速过程中的失步，以及减速过程中的位置超调现象，通常采用一定的速度控制算法。

在实际应用中位置环通常设计成比例控制环节，通过调节比例增益，可以保证系统对位置响应的无超调，但这样会降低系统的动态响应速度。

另外，为了使伺服系统获得高的定位精度，通常要求上位控制器对给定位置和实际位置进行误差的累计，并且要求以一定的控制算法进行补偿，因此，单纯对位置环采用比例调节不仅不能获得理想的响应速度，而且会增加上位控制器的算法复杂度。

另外一种方法是把位置环设计成比例积分环节，通过对位置误差的积分来保证系统的定位精度，这使上位控制器免除了对位置误差的累计，降低了控制复杂度。

但这和采用比例调节的位置控制器一样，在位置响应无超调的同时，降低了系统的动态响应性能。

为了满足高性能伺服定位系统的要求，通常可以采用前馈控制对系统干扰进行抑止，增强控制系统的鲁棒性。

伺服电机控制系统采用了PID和前馈的混合控制，对干扰噪声起到了较好的抑制作用;另外，在输出要求直接跟踪输入信号的应用场合中，系统的闭环调节通常造成跟踪的延迟，这时也可以采用前馈控制来加快系统的跟踪速度。

对于位置信号前馈，可以分为速度前馈和加速度前馈两种，采用速度前馈可以通过开环控制特性来加快伺服系统的速度响应，并且当加大速度前馈增益时，可以减少位置环对位置误差的累积，从而加快位置误差的补偿速度。

2016年第44卷第5期R读者园地eaders 'home 张　珂等　基于STM32 的小型化伺服控制器设计83　收稿日期:2015-11-04基于STM32的小型化伺服控制器设计张　珂,郭　栋,秦文甫(中国空空导弹研究院,洛阳471099)摘　要:针对伺服控制器多选用DSP 为核心的现状,设计了一种基于嵌入式处理器STM32的伺服控制器㊂采用PID 增量控制,在实现对直流有刷电动机控制的同时达到伺服控制器小型化的目的㊂经实验验证,控制器在闭环系统中稳定性好,各项指标均满足要求㊂关键词:伺服控制器;STM32;PID;直流电动机中图分类号:TM383.4 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2016)05-0083-04Design of Miniature Servo Controller Based on STM32ZHANG Ke ,GUO Dong ,QIN Wen⁃fu(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471099,China)Abstract :For Currently servo controllers more use DSP,a servo controller based on STM32was designed.The con⁃troller used PID increment control,realizing the control of DC motor with small volume.Experimental results show that the controller has good stability in closed-loop system and can meet requirements.Key words :servo controller;STM32;PID;DC Motor0引　言伺服控制系统中数字控制方式已占据主导地位,以TMS320F2812为代表的DSP 凭借其控制精度高㊁内部资源丰富等优势成为伺服系统数字控制器主控单元的首选[1]㊂但在一些要求伺服系统低成本,对体积控制严格的场合,就不再适合选用DSP 进行控制㊂本文的研究目的在于设计一种新型伺服系统数字控制器,既能满足控制精度,响应速度等性能要求,又要控制成本和体积㊂系统采用STM32为主控单元,以最简方式配置外围电路;算法上采用PID+前馈的控制方式,通过脉宽调制实现对电机的控制㊂1总体方案设计总体方案框图如图1所示㊂控制器以STM32F103C8为核心,采用直流有刷电动机作为执行单元,并以MOSFET 组成H 桥式电路进行电机驱动㊂控制器工作时,通过RS-422通讯电路接收并处理图1　总体方案框图控制信号,位置反馈信号经调理电路和模数转换电路后输入主控单元,在与控制信号综合后,输出控制电机运行的PWM 信号,通过驱动电路,驱动执行单元运转,实现位置跟随㊂2控制算法原理PID 控制是伺服控制中常用的一种控制算法,具有调节方便㊁技术成熟㊁无需知道被控对象准确数学模型等优点,因此在伺服控制器软件中引入了PID 控制作为其控制算法的基础㊂经典PID 算法表达式:u (t )=K p e (t )+1T I ∫e (t )d t +T D d e (t )d []t(1)式中:u (t )为伺服控制器输出信号;e (t )为控制器的输入偏差信号,它等于测量值与给定值之差;K p 为比例系数;T D 为微分时间常数;T I 为积分时间常数㊂采用数值逼近法对式(1)中连续型的微分方程变换成离散型的差分方程,用增量代替积分项,并将其表示成矩形积分的形式,同时将连续时间值t 用一系列采样时刻点kT 替换,以增量代替微分项,并将其表示成后向差分的形式,可得增量式PID 算法[2]:Δu (k )=u (k )-u (k -1)= K p [e (k )-e (k -1)]+K i e (k )+K d [e (k )-2e (k -1)+ 　e (k -2)]=(K p +K i +K d )e (k )-(K p +2K d )e (k -1)+K d e (k -2)(2) R读者园地eaders'home 2016年第44卷第5期 张　珂等　基于STM32 的小型化伺服控制器设计 84 积分环节的作用是消除静态误差,但K I过大也会降低系统的响应速度,引起系统超调量的增加;比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应,增大K p数值,可以使控制效果得到加强,但过大的K p值会造成系统的不稳定,使系统产生振荡[3];微分环节的作用有助于系统稳定,减小系统的超调量,但是引入K D后使得系统对输入信号的噪声变得很敏感,因此调试过程先不加微分环节,当系统调节稳定后,再适当调节微分参数㊂控制系统原理框图如图2所示㊂图2　控制系统原理框图3硬件设计3.1主控单元电路设计伺服控制器的主控单元电路采用基于ARMCortexTM-M332位RISC㊁内核频率高达72MHz的数字信号控制器STM32F103C8芯片为核心,其特点是采用高速嵌入存储器(SRAM和闪存程序存储器分别高达20kB和128kB),其增强的I/O端口均连接到两条APB外设总线㊂STM32F103C8提供1个PWM定时器和3个通用16位定时器,2个12位ADC,配备了标准和先进的通信接口㊂在仿真接口的设计上,主控电路采用SWD方式,仅以4根针脚就能实现程序下载及在线调试,与传统JTAG接口模式相比,能够在确保可靠性和速度的同时减小印制电路板的体积㊂伺服控制器主控单元电路如图3所示㊂图3　主控单元电路图3.2反馈调理及模数转换电路设计为提高控制精度,增强反馈信号抗噪能力,选用TI的A/D转换器TLC2574进行数据采集㊂TLC2574是一款可编程的4通道12位A/D转换器,量程为-10~+10V,采样率达200KS/s,功耗为30mW,可满足伺服系统采样的需要,模数转换电路如图4所示㊂此外,TLC2574可在最大25MHz的时钟频率下工作,具有与外部STM32F103C8高速通信的SPI口,其模拟供电为5V,数字供电则可选3.3 V,与STM32F103C8系统电平兼容,不需外加电平转换电路㊂图4　模数转换电路 2016年第44卷第5期R读者园地eaders 'home 张　珂等　基于STM32的小型化伺服控制器设计85 系统选用的反馈电位器总阻值为4.7kΩ,有效电行程300°,扇齿增速比为4,电位器两端供电电压为±12V,伺服系统最大转角为±25°㊂根据公式:U 反馈电压=R 转角×Δ增速比R 电行程×U 供电电压(3) 在执行单元最大转角时反馈电压为±8V,在极限转角±30°时反馈电压为±9.6V,均满足AD 采样的输入范围㊂3.3驱动电路设计驱动电路由电源变换电路㊁光电隔离电路㊁限流电路㊁功率电路组成,如图5所示㊂图5　驱动电路原理框图 电源变换电路将功率电压转换成+12V,为驱动电路中除逆变电路以外的各部分电路提供电压,功率驱动部分采用驱动芯片IR2101S 和MOSFET6270㊂电路原理图如图6所示㊂其中,IR2101S 为自举式高电压㊁高速半桥驱动器,2片IR2101S 即可组成H 桥全桥驱动电路㊂IR2101S 芯片高端悬浮通道采用外部自举电容产生悬浮电压源V BS ,与低端通道共用一个外接驱动电源V CC ㊂自举电路工作原理:当VJ2导通时,D1的VS 端电位被拉低至地,V CC 通过自举二极管VD1开始向自举电容C3充电,这样就在VB 和VS 之间形成了一个悬浮电压VBS 用来给VJ1供电,保证VJ1的正常开通㊂由于自举电图6　功率驱动电路原理图路的存在,可使H 桥电路上下桥臂MOSFET 仅需一路电源,简化了电路㊂驱动电路由于自举电容的存在对输入信号有一定的限制,即无法做到长时间低电平或100%占空比输入[4],实际应用中只把占空比最高限设置为95%㊂在某些要求达到100%占空比输入的应用中,需单独给V BS 提供充电电路㊂图7为一种基于555定时器的充电泵电路[5],能够以较低的成本实现对自举电容的单独充电㊂图8为电路仿真结果,一级倍压即可将+12V 电源电压升高到+22V,如需多级倍压,仅通过增加多级整流电路即可实现㊂图7　充电泵电路原理图图8　充电泵电路仿真图4程序设计STM32控制程序分为主程序㊁通讯中断程序和定时器中断程序三部分,程序流程图如图9所示㊂在通讯中断程序中,控制器每2ms 接收一次转速指令,处理后发送转速数据,定时器中断程序则通过一定的控制算法控制电机转速㊂图9　控制软件流程图5实验结果为验证本文提出的基于STM32小型化伺服控制器技术,建立实验系统如图10所示,实验中选用的直流电动机参数如表1所示㊂图10　实验系统示意图表1　试验电机参数参数值参数值额定电压U /V 24电枢电阻R /Ω7.1最大输出功率p /W19转子电感L /μH265转子转动惯量J /(g㊃cm 2)5.8额定转速n /(r㊃min -1)6470 R读者园地eaders'home 2016年第44卷第5期 张　珂等　基于STM32 的小型化伺服控制器设计 86 图11是小型化控制器的实物图㊂实际大小仅为60mm×30mm,体积较基于TMS320F2812的伺服控制器大幅减小㊂图11　电路实物图 图12是上位机给控制器发送±20°阶跃信号时实际的反馈波形㊂经计算,伺服系统空载角速度如表2所示㊂图12　伺服系统阶跃测试波形表2　系统阶跃测试数据空载角速度ω/[(°)㊃s-1]正向479.2负向-492.5 给控制器分别发送不同频率的正弦波,测得系统的动态特性如表3所示㊂表3　系统动态特性测试数据信号相移θ/(°)衰减A/dB2°,5Hz13.80-0.012°,10Hz27.70-0.762°,15Hz37.95-2.87 通过实验数据的分析可以得出,该伺服控制器稳定性好,各项测试指标均能满足伺服系统要求,证明本文提出的控制器方案可以实现对伺服系统的控制㊂6结　语本文以STM32F103C8为核心设计了一套小型化伺服控制器,较行业内常见的以DSP2812为核心的伺服控制器具有体积小,成本低的特点㊂通过在伺服系统中的应用实验,表明该控制器满足设计要求,具有实际应用价值㊂参考文献[1]　吴大勇,贾敏智.STM32在三相无刷直流电机控制系统中的应用[J].微电机,2014,47(3):47-51.[2]　卢志刚,吴杰,吴潮.数字伺服控制系统与设计[M].北京:机械工业出版社,2007.[3]　樊学能.基于PID算法的直流电动机调速系统的设计[J].电气技术与自动化,2011,40(3):175-178.[4]　张小鸣,卢方民.基于IR2110的H桥可逆PWM驱动电路应用[J].常州大学学报(自然科学版),2014,24(4):68-72.[5]　李正中,孙德刚.高压浮动MOSFET栅极驱动技术[J].通信电源技术,2003(3):37-40.作者简介:张珂(1983-),硕士研究生,工程师,研究方向为伺服系统控制器设计㊂。

精密伺服系统的智能控制技术研究在当今的制造业中，精密伺服系统扮演着越来越重要的角色。

精密伺服系统是利用伺服机构带动导轨或工作台执行高精度、高速度运动的控制系统，广泛应用于工业自动化、数控机床、印刷机械等领域。

与传统工控系统相比，精密伺服系统能够实现更高的精度、更快的响应速度和更稳定的运行。

精密伺服系统的智能控制技术是精密伺服系统发展的重要方向。

智能控制技术要求系统能够自主地感知、推理、决策和执行，从而实现自主学习、自我修复和自我优化。

对于精密伺服系统来说，智能控制技术的应用可以提高系统的精度和稳定性，提高生产效率和品质。

精密伺服系统的智能控制技术包括感知、决策和执行三个方面。

感知系统是精密伺服系统的基础。

感知系统必须获得足够的信息，才能在之后的控制过程中做出正确的决策。

感知系统可以使用各种传感器来获取关键参数，例如位置、速度、力矩、温度等。

不同的传感器能够提供不同的信息，因此在选择和设计传感器时需要综合考虑系统的性能要求和成本。

决策系统是精密伺服系统的核心。

决策系统需要将感知到的信息转化为控制策略和控制命令，从而保持系统运行的稳定性和精度。

决策系统的核心是模型预测与优化，即通过构建精确的系统模型，在预测系统运行行为的基础上制定最优的控制策略，使得系统达到最优的控制效果。

决策系统还需要考虑系统的安全性和鲁棒性，从而在遇到异常情况和外部干扰时能够稳定运行。

执行系统是精密伺服系统的末端。

执行系统需要将决策系统生成的控制命令转化为实际的控制动作，例如控制伺服电机进行精准的位置调节。

在执行系统中，伺服电机是精密伺服系统的核心，需要运用高端技术来控制其行为。

目前，国内外伺服电机的研发方向主要集中在提高控制精度、抑制控制系统非线性、提高响应速度、减小误差积分等方面。

除了传统的PID控制方法，目前在智能控制技术领域，模糊控制、神经网络控制以及遗传算法控制等方法也被广泛应用于精密伺服系统中。

模糊控制通过模糊逻辑推理来实现精度控制，其适应性较强，可以应对系统非线性和模型不准确等问题。