最少拍数字控制器的设计

最少拍数字控制器的设计（精选4篇）

篇1：最少拍数字控制器的设计

等待时间最少的问题的教学设计

教学内容：

等待时间最少的问题。115页例3 教学目标：

合理安排三艘货船的卸货顺序，使等候的时间的总和最少。教学重难点：

等候时间的总和最少的计算方法。教学过程：

一.板题示标

1.同学们，我们今天要学习《等候时间最少的问题》。板书课题。2.这节课学习的目标是：合理安排三艘货船的卸货顺序，使等候的时间总和最少。二.出示自学指导：

认真看课本115页的例3，思考：

1.要是三艘货船的等候时间的总和最少，应该按怎样的顺序卸货？ 2.怎样计算等候时间的总和？并计算出本题等候的时间。

三.看一看

学生独立看书，教师巡视调查学情。四.做一做

1.叫两名学生来黑板上做，其余学生写在练习本上。2.学生独立做，教师巡视调查学情。

五.议一议

1.已先后顺序，按需时间多少排序。

少———————→多

2.议算时间总和

第一个人 + 第二个人 + 第三个人 1人时间 2人时间 3人时间

六.课堂练习

115页做一做 七.小结： 怎样安排等候的时间最少？ 八.作业：1 ——2题 九.教学反思：

篇2：最少拍数字控制器的设计

由于最少拍控制系统模拟连续系统要求的参数准确,但在实验电路中的元器件自身参数的不准确性,及受温度或其它因素的影响,很难做到参数的准确,特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定,输出波形易出现失真,很难得到理想的结果,多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型,这种仿真模型构建方法相对简单,仅用比例积分、一阶惯性和传输函数数学模块搭建,虽可避免参数的不准确性,但与实际电路相距较远,用到的仅是数学模块也就不易理解最少拍控制系统在实际电路系统中的应用。本文创新之处在于利用MATLAB仿真平台对最少拍控制系统实验电路进行建模,构建最少拍控制系统实验电路的仿真电路图。

2 基本原理

数字控制器模拟化设计方法是基于连续系统的设计,并在计算机上采用数字模拟方法来实现,选用的采样周期须足够小,且采样周期的变化对系统影响不大。如图1的数字离散控制系统中,GC(S)为被控对象,其中H(S)=(1-e-TS)/S代表零阶保持器,D(Z)代表被设计的数字控制器[1,2],它是由单片机来实现的,D(Z)的输入输出均为离散信号。

广义对象的脉冲传递函数:

系统闭环脉冲传递函数为:

系统误差脉冲传递函数为:

数字控制器脉冲传递函数:

对最少拍控制系统设计的具体要求[3,4]是:

(1)准确性。对特定的参考输入信号,在到达稳态后,系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号即采样点上的输出不存在稳态误差,则这系统为有波纹最少拍控制系统。若在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差,则这系统为无波纹最少拍控制系统。(2)快速性。在各种使系统在有限拍内到达稳(z)态的没计中,系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。(3)稳定性。数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。

3 被控对象的传函

在实验教学环节中,基于试验平台上用元器件搭建的物理模型进行实验时,由于元器件参数不精确等问题,造成根据准确传递函数建立的控制器控制的系统结果不理想。本文借助MATLAB仿真平台,依照实际电路,搭建了一种仿真模型。

如图1所示的数字控制系统,针对被控对象为一阶惯性系统GC(S)=5/S(S+1),采样周期为1秒的实验电路,输入为单位阶跃信号,设计最少拍系统[5]。

由式⑴可得被控对象的脉冲传递函数为:

4 最少拍控制算法

4.1 最少拍有波纹控制算法

对于单位阶跃函数由式⑵可得闭环脉冲传递函数为,再由式⑷和⑸联立求得数字控制器函数为:

4.2 最少拍无波纹控制算法

对于单位阶跃函数由式⑵可得闭环脉冲传递函数为φ(z)=0.582z-1(1+0.717z-1),再由式⑷和⑸联立求得数字控制器函数为:

结合图1和上述最少拍控制系统的设计可知,无论是最少拍有纹波还是最少拍无纹波控制系统,其控制算法都是依据被控对象的准确的数学模型G(Z)来确定的。因此,在利用最少拍控制算法去控制模拟连续系统时,为了保证良好的控制效果,前提必须保证被控对象的数学模型G(Z)很准确。

5 仿真模型及构建方法

5.1 仿真模型

基于传输函数构建的仿真模型如图2所示,基于被控对象构建实验电路的仿真电路图中如图3所示。

5.2 构建方法

如图3实验电路的仿真电路图,输入信号从信号源模块出来,经反相等比例运算放大器和输出反馈信号叠加;送入数字控制器D(Z)处理后的信号再经一阶惯性环节和积分环节(被控对象)输出。在此过程中输入信号r(t)、控制器输出信号u(t)、系统输出信号c(t),这三种信号以数组的形式输出到工作空间模块(to workspace)中,以便分析比较信号;但要注意构建MATLAB的仿真模型是仿真实际电路,需与实际电路进行“信号”转换。从信号源模块出来的模拟信号(阶跃信号),要经过受控电压源(Controlled Voltage Source)模块,把模拟信号转化为实际电路能够处理对“地”的实际电压信号送入实际电路(电阻、电容和运算放大器组成的电路);而电压测量(Voltage Measurement)模块则把实际电路输出的电压信号转化为计算机能处理的模拟信号送入D(Z)或模拟示波器模块;从D(Z)输出时受控电压源模块把模拟信号转化为实际电压信号送入实际电路。

图4 Subsystem子模块示意图是用来模拟理想集成运算放大器,两路实际电压信号转化成模拟信号;经过比例系数K设置成10000,即为理想运算放大器后,再经受控电压源模块把信号转化实际电压信号。其中,比例环节、积分环节以及一阶惯性环节中各个元器件的参数设置为图3中所示的参数,这样构建的仿真实验电路就巧妙地把MATLAB仿真近似成实际实验电路了,比较容易理解最少拍控制系统。

6 仿真结果

图5为最少拍有波纹控制系统仿真曲线,图中最少拍有纹波控制系统的控制量围绕“0”上下振荡衰减,渐渐趋于“0”;输出在一拍后随即能跟随输入,但只是在采样点上完全跟随输入,两个采样点间存在纹波,上升时间:tr≈1.46(s),最大超调量:Mp≈35.8%,稳态误差:ess≈0,振荡衰减,渐渐趋于稳态。

图6为最少拍无纹波控制系统仿真曲线,图中最少拍无纹波控制系统的控制量在两拍后为恒值“0”;输出在两拍后完全跟随输入,上升时间:tr≈1.97(s),最大超调量:Mp≈0,稳态误差:ess≈0,振荡衰减,渐渐趋于稳态。

综上所述,最少拍有纹波控制系统响应快,但是系统输出超调大,容易超出控制范围,如果将其用于实际系统中,由于采样点之间存在的波纹[6],造成采样点之间存在的偏差,消耗功率,浪费能量,增加机械磨损;应注意防止其过大而产生的损害;无纹波控制系统没有超调,但是系统相应速度较慢,二者各有优点,在实际应用中,应根据需要选用。

7 结语

本文主要是基于最少拍控制系统实验教学环节中遇到的问题提出的一种改进方法,有助于学生更好观察最少拍控制系统实验的结果,帮助他们理解最少拍控制系统的原理和应用。当然,也可以将这种构建思路用于科研或其它学科的教学。由于最少拍控制算法是根据被控对象的模型确定的,因此,在采用该方法时,必须实现知道被控对象的精确的数学模型,这一点导致其使用存在一定的局限性,但是可以结合系统辨识等方法使用,这里由于篇幅的原因,不再细述。

参考文献

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[2]张艳兵,等.计算机控制技术[M].北京:国防工业出版社,2006.08:128~143

[3]赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2005.07:113~124

[4]陈学,等.最小拍炉温控制系统的设计[J].计算机与自动化,1998,17(3):157~159

[5]顾德英,等.计算机控制技术[M].北京:北京邮电学院工业出版社,2006.02:113~120

篇3：数字化照片输入输出的最佳拍挡

在这些设备中，扫描仪作为数字化制作不可缺少的一个重要环节，同数码相机一样重要。通过它，我们可以进行传统照片及正负底片的扫描。由于最终输出质量决定原稿质量，所以扫描仪的扫描精度很重要，当然是越高越好；普通照片由于尺寸小造成扫描成像不清晰，所以扫描尺寸也是越大越好；另外，扫描正负底片的质量要比扫描照片更好，所以，透射适配器也是必不可少的，而且，对扫描透射稿件具有决定作用的光密度值更加重要。

数字照片在计算机中制作完成，它还需要打印输出设备将其制作成为照片。这就需要高端的彩色喷墨打印机。在这里的“高端”一是指打印机的打印质量，另外一个就是打印幅面。打印质量不够高，质量再好的数字照片也不能体现出来，而打印幅面如果过小，也不能满足用户的需要。

说道彩色喷墨打印机，EPSON这个品牌早已为国内的人们所认知，它几乎是高质量喷墨打印机的代名词。而爱普生的扫描仪虽进入国内市场没有多久，但在国际上却名声显赫，多次获得国际大奖。此次我向大家介绍的数字化照片的最佳拍挡就是EPSON EXPRESSION 1640 XL专业扫描仪和EPSON STYLUS PHOTO 2000P顶级彩色喷墨打印机。

EPSON EXPRESSION 1640 XL是EPSON新近推出的一款专业级A3幅面扫描仪。它的扫描分辨率高达1600X3200dpi，色彩达到了42位，而对于透扫质量具有决定作用的光密度值达到了3.6D。目前，在市场能和EPSON EXPRESSION 1640 XL相比的产品很少，而且大多价格不菲。

EPSON EXPRESSION 1640 XL 采用了EPSON的“精微真彩”扫描系统和自动对焦等独特技术。其中“精微真彩”系统集成了“微步进”驱动、高质量感光镜头、同步三原色扫描和动态范围控制四项技术。 我们知道，扫描仪的主分辨率是由CCD单位面积上的像素数目来确定的，副扫描分辨率是指扫描头移动方向上的分辨率。所有平板扫描仪都是通过减小它的步进电机的步长来提高副扫描分辨率的。爱普生的“微步进”驱动技术是在此基础之上，采用了可使扫描头以电机步长四分之一为步长移动的技术，获取2-4倍于主扫描分辨率的副扫描分辨率。同时这种基于精工爱普生精密仪器技术的“微步进”驱动和EPSON EXPRESSION 1640 XL独特的金属移动支架使扫描头的移动更精确、平稳，使扫描图像获得连贯一致的垂直分辨率，显著减少了不稳定移动带来的锯齿、波纹和色彩失真，令输出更准确、清晰。

和相机一样，扫描仪的质量也取决于其透镜的质量，许多扫描仪因镜头原因，仅仅能够在扫描区域的中心部分获得清晰图像，而在边缘的图像质量会有所降低。EPSON EXPRESSION 1640 XL扫描仪采用和普通扫描仪不同的高质量精密透镜，能够在所有的扫描区域实现清晰捕捉，无论画面中心还是图像边缘，都可以保持清晰锐利的图像质量。

几乎所有平板扫描仪都存在扫描图象偏色问题，这是因为CCD通常的结构和三色分别扫描技术所造成的。普通扫描仪因采用三次分别扫描红、绿、蓝三种原色之后再进行色彩合成的技术，造成了扫描图像的偏色，而且这种扫描形式会使扫描头在扫描过程中产生偏离，使扫描图像不连贯，不能对原稿进行正确扫描。为了扫描出更高质量的图像，尽量地减少偏色，EPSON EXPRESSION 1640 XL采用了一种特殊的CCD控制技术，扫描红、绿、蓝三原色一次完成，并通过一组能够准确分辨颜色的高质量透镜将接受到的光线送到不同的色彩传感器上，同时分析三种颜色。这种三色同步扫描技术使扫描仪能够准确记录所扫描图像上的任何一点的颜色，准确捕捉目标图像，减少色彩失真。

在扫描过程中，扫描仪利用模数转换器（ADC）将图像信号转换成数字信号。模数转换器（ADC）的输入信号就是CCD的输出信号，这种信号带有随机噪声，当原件具有较高的光密度数值时，这种随机噪声便会使CCD的信号质量产生巨大损失。普通扫描仪采用放大器来解决这一问题，但会产生额外的噪音。EPSON EXPRESSION 1640 XL扫描仪的动态范围控制技术，采用与普通扫描仪不同的解决办法，在可以调整扫描仪的动态范围，使得扫描仪的动态范围与原件密度相匹配的同时，避免了其它扫描仪因采用放大器而产生的额外噪音，改善了暗部层次少，一团漆黑的现象。从理论上说，采用动态范围控制技术的扫描仪比采用放大器方法的信噪比提高了25%。

EPSON EXPRESSION 1640 XL具有自动对焦功能，它可以针对透射扫描过程中光源和被扫描底片之间的距离进行自动对焦，以保证扫描图像的质量。

在扫描速度方面EPSON EXPRESSION 1640 XL采用了“按需像素优化技术”、“高速大容量SDRAM”和“零等待，高敏感Xenon荧光灯管”以保证用户能够快速扫描。其中“零等待，高敏感Xenon荧光灯管”让使用者几乎不用等待，开机既扫。

另外，EPSON EXPRESSION 1640 XL还拥有网络扫描、多框选择和批扫描等其它功能。最重要的是1600dpi的光学分辨率和A3大幅面的扫描面积使EPSON EXPRESSION 1640 XL让数字照片的输入质量不再成为难题。

输入的问题解决了，我们还需要一台能够大幅面输出精致彩色照片的打印机。早在1998年EPSON 公司就推出了全球第一台6色打印机，也就是其PHOTO系列的第一款——EPSON STYLUS PHOTO700，而本文介绍的EPSON STYLUS PHOTO 2000P是目前EPSON 公司PHOTO系列彩色喷墨打印机中最高端的。

EPSON STYLUS PHOTO 2000P的打印幅面为A3+，打印分辨率为1440×720dpi。它可以对A3+、A4、89mm和100mm卷筒纸进行连续无边界打印。这一功能使其可以进行全角照片、异型尺寸照片打印而不浪费打印介质，而且它打印出来的照片使用户无须裁剪就可以轻松得到完美照片。

EPSON STYLUS PHOTO 2000P使用的全新六色油墨采用了微压缩技术，在微小的油墨颗粒外面包裹着一层树脂。这种小颗粒油性墨打印在介质上平滑均匀比起一般的大颗粒油性墨对光线的反射效果要好得多，而且当油性墨溶入到打印介质之中后，外部树脂就会对画面形成一层保护墨。这种油性墨水配合EPSON特殊的打印介质可以保持100年不褪色，而这正是打印照片所要具备的。

考虑到照片打印需要不同的效果，EPSON还提供了“粗面档案纸”、“高质量亚光照片纸”和“重磅光泽照片纸”等多种打印介质供用户选择。用户可以根据照片在计算机中制作的效果，挑选不同的打印介质。

以上两款设备都是EPSON最新最高端的输入输出设备，相互配合完全可以保障数字照片输入与输出的质量。由于EPSON EXPRESSION 1640 XL的扫描分辨率高达1600X3200dpi，如制作A3幅面的照片时数据量甚至会超过上百兆，所以配合使用的计算机也需要很高的配置，尤其在内存方面，建议在256MB以上，这样，计算机才能完全配合这两台如此高端的设备使用。◆

EPSON EXPRESSION 1640XL产品参数：

扫描幅面: A3幅面

扫描分辨率：1600X3200dpi

色彩位：42bit in/out

光密度：3.6D

接口：USB、SCSI、Option IEEE 1394

EPSON STYLUS PHOTO 2000P产品参数：

6色打印，使用油性墨100年不褪色

打印分辨率：1440X720dpi

打印幅面：A3+幅面

可对A3+、A4、89mm、100mm卷筒纸连续无边距打印

篇4：最少拍数字控制器的设计

虽然网络控制系统存在着种种的优越性,但也存在明显的不足。主要缺点是:由于网络的分时、复用、且带宽有限,网络中信息的传输会产生延时,而且延时的长短与网络的协议、传输量、传输距离和传输时间等诸多因素有关,具有明显的不确定性、时变性和随机性,不仅给控制系统的建模、控制、优化带来了很大的困难,而且会影响控制系统的运行性能[1,2]。本文针对网络控制系统存在的不足,为使加热炉炉温得到精确快速的控制,着重研究几个方面:

(1)采用时间戳BP神经网络对不确定、时变的延时进行在线、实时的预测;使不确定系统变换成确定性系统来处理;

(2)采用预测的延时值,建立了加热炉网络控制系统的频域和离散状态方程数学模型;

(3)为了加快具有大热惯性加热炉的温度动态响应采用无稳态误差、快速响应的最少拍数字控制策略,给出了控制器的设计方法;最后,给出仿真结果,验证了提出控制算法的有效性。

1 加热炉网络控制系统的数学模型

1.1 加热炉网络控制系统的简化结构

加热炉网络控制系统频域的简化结构,如图1所示。

设某瞬时,反馈通道网络信息传输延时为τSC,前馈通道为τCA,加热炉自身延时为τh。因此加热炉网络控制系统总信息传输延时为:

图1中,GD*(s)为最少拍响应数字控制器传递函数;Z.O.H为零阶保持环节传递函数。

考虑了网络信息传输不确定性延时后,本文采用时间戳BP神经网络对延时τN进行实时预测,并用预测值来表示。这样,加热炉网络控制系统的开环传递函数可表示为:

1.2 时间戳BP神经网络延时预测器

时间戳BP神经网络(TSBPNN)的工作方式是:在图1所示的系统结构中,设当(k-1)时刻从控制器端发出去的数据包,用时间戳[3]标记了发送时刻τTSCA(k-1),当数据包经过互联网到达执行器,并对被控对象(加热炉)实施控制后,再经过互联网,返回到控制器端时,用时间戳标记τTSSC(k-1),将两个时间相减,即可得网络信息传输总的延时(含加热炉自身的延时τh)的预测值为:

经过一段时间运行后,在控制器端就可获得历史延时数据τ(i){i=1,2,…,k-1},根据获得的历史数据,作为神经网络训练的样本,可对网络传输延时进行超前一步的预测[4]。本文采用的BP神经网络为2-2-1结构,即输入层和隐含层各有两个神经元,输出层一个神经元。输入样本采用前两个时刻的延时值τ(k-1)、τ(k-2)。经过BP神经网络学习训练后,获得延时预测值为在下一时刻,可用当前时刻预测误差值来训练神经网络。

1.3 加热炉网络控制系统的数学模型

在式(2)所示的加热炉网络控制开环传递函数中,严格说来应包含无穷维因子[5];若忽略高幂次项可表示为:

将式(4)代入式(2)中,可得加热炉网络控制系统的频域开环传递函数为:

现将图1所示加热炉网络控制系统简化构图,改画为图2所示。

在图2中,(1-e-Ts)/s为零阶保持环节传递函数,T为采样周期;GD(s)和GD*(s)为具有最少拍响应数字控制器的传递函数和Z传递函数;G*(s)为零阶保持环节与控制对象的组合Z传递函数。

2 最少拍响应的数字控制器

2.1 最少拍响应数字控制器设计原理

所谓最少拍响应就是:对控制系统的典型输入(单位阶跃、速度和加速度输入),系统输出的稳态误差为零,系统的响应最快。对图2所示的系统进行Z变换,可得:

其中,K(z)为系统闭环Z传递函数。

为了使加热炉网络控制系统能获得精确的温度控制,期望系统输出温度的稳态误差为零,故采用具有最少拍响应的数字控制器。按照终值定理,系统稳态误差可从Z传递函数E(z)=R(z)-Y(z)来求得:

已知加热炉的输入信号为单位阶跃函数:R(z)=1/(1-z-1),从式(7)可见,要使系统稳态误差为零,需满足1-K(z)=1-z-1,也即K(z)=z-1。将此结果代入式(6)中,得到加热炉网络控制系统的最少拍响应数字控制器的Z传递函数为:

按照式(8)设计的数字控制器,对加热炉网络控制系统实现了精确温度控制,且系统的输出响应仅滞后输入信号一个采样周期,达到了最少拍(dead-beat)响应。

2.2 最少拍响应数字控制算法

(1)求零阶保持环节与加热炉网络控制系统组合Z传递函数G(z)。

由图2可得:

(2)求取数字控制器传递函数

(3)求数字控制器控制算法

从图2可知M(z)/E(z)=GD(z),结合式(11),并进行Z反变换,即可得到数字控制器的控制算法为:

3 仿真研究

3.1 被试加热炉的技术数据

被试加热炉型号:SX2-4-10;时间常数:Th=300 s;延时时间:90 s;系统放大倍数:K=7.5。

3.2 仿真结果及结论

仿真结果如图3所示。

在图3中,曲线1、2分别表示采样周期为60 s与120 s时的单位阶跃响应特性。由图可见,系统具有最少拍响应特性,即系统的稳态误差为零,过渡过程时间最短,系统输出仅滞后输入信号一个采样周期。并且,当采样周期缩短时,系统过渡过程时间也相应减少。但必须指出,当采样周期缩短到一定值时,由于系统的输入信号幅值有限(系统的能量有限),系统输出不能服从最少拍响应规律。

参考文献

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[4]Rees D.Networked predictive control of internet/intranetBased Systems[C].第25届中国控制会议论文集(下册),2006.