恒转矩负载实验控制系统的设计与开发

摘要

恒转矩负载是工业生产中三大负载类型之一，常见于传送带、起重机、电梯、挤压机等机械设备，被广泛应用于各个行业。它的机械特性表现为:负载的转矩保持恒定不变，而转速与功率成正比。这类负载通常对系统的控制精度要求较高，设计合适的控制系统具有较大的现实意义。
　　本文利用磁粉制动器模拟工业现场中的恒转矩负载，采用直流电机驱动，设计最小拍控制器。基本的控制策略是:当负载不变时，系统实现一定范围内的平滑调速;当负载在一定范围内发生扰动时，保持系统输出转速跟随给定保持不变。
　　为了达到控制目的，本文设计最小拍控制器。首先建立系统模型，采用辨识的方法。利用系统的阶跃响应，采用最小二乘法进行曲线拟合。但对于快速响应的系统，最小二乘法存在一定的系统误差，影响控制效果。本文进一步提出PSO模型辨识的优化策略，利用独立重复实验测定多组数据，得到系统的优化模型。经比较，优化模型的准确度更高，模型的阶跃响应曲线更接近实际曲线。
　　本文的另一项工作是搭建系统的实验平台，主要包括三个方面的内容:硬件电路设计、上位机界面和USB接口设计、FPGA内部HDL程序设计。硬件电路主要包括供电电路、FPGA配置电路、ADC和DAC电路几个部分，同时设计USB接口和上位机界面。FPGA内部程序采用VHDL编程，主要包括SPI模块、时钟管理模块、数据采集模块、DA时序控制模块。
　　控制器设计方面，利用Altera公司开发的内嵌在Matlab/Simulink中的DSP Builder工具箱搭建系统控制模型。待仿真通过后，转换成FPGA内部VHDL程序模块，添加到工程。最后将仿真编译好的程序下载到FPGA芯片，完成系统的开发。经仿真验证，控制系统满足设计要求，取得了令人满意的控制效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 控制器设计方案比较

1．3 FPGA技术发展

1．4 国内外研究现状

1．5 本论文的主要研究内容及安排

第2章 恒转矩负载实验控制系统概述

2．1 系统构成

2．1．1 数字控制器

2．1．2 被控对象

2．1．3 测量和变送环节

2．1．4 上位机界面和USB接口

2．2 系统开发流程

2．2．1 FPGA开发流程

2．2．2 DSP Builder控制器设计流程

2．3 最小拍控制器

2．3．1 数字控制器设计基本原理

2．3．2 最小拍控制器设计

2．4 系统开发环境

2．5 本章小结

第3章 系统模型辨识及优化

3．1 系统模型辨识

3．2 系统模型辨识优化策略

3．2．1 粒子群算法原理

3．2．2 基于粒子群算法的模型辨识

3．3 本章小结

第4章 系统实验平台搭建

4．1 硬件电路设计

4．1．1 电源电路设计

4．1．2 FPGA配置电路设计

4．1．3 ADC和DAC电路设计

4．1．4 USB接口电路设计

4．2 上位机界面及USB固件程序设计

4．2．1 上位机界面设计

4．2．2 USB固件程序开发

4．3 FPGA程序设计

4．3．1 SPI模块

4．3．2 时钟管理模块

4．3．3 数据采集及USB通信模块

4．3．4 D／A时序控制模块

4．4 本章小结

第5章 控制器设计与仿真

5．1 系统控制方案

5．2 最小拍控制器设计

5．3 系统仿真

5．3．1 负载恒定

5．3．2 负载扰动

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢