數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)與模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真

宋暖，程繼航，馬騁，沈洋

（空軍航空大學(xué)，吉林長春，130021）

0 引言

數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的位置隨動(dòng)系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)作為閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它在對生產(chǎn)過程和運(yùn)動(dòng)對象的控制中，以及在瞄準(zhǔn)，跟蹤，信號傳遞和接收等裝置中，都占有顯著地位。雖然隨動(dòng)系統(tǒng)所解決的問題的特點(diǎn)不盡相同，但它們有一個(gè)共性，就是對隨意變化的輸入過程都能完成其復(fù)現(xiàn)功能。

數(shù)字控制在理論上是連續(xù)控制的延伸。對于一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)，元件的物理實(shí)現(xiàn)在很大程度上限制了它不能達(dá)到理想系統(tǒng)能夠達(dá)到的性能。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，它作為計(jì)算裝置，一般情況下使得控制更精確，但運(yùn)算速度受到限制。然而，在現(xiàn)代空間探索的成就中，結(jié)果表明，精度是關(guān)鍵因素。在數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中計(jì)算機(jī)起著很重要的作用，微處理機(jī)，微型計(jì)算機(jī)以及它們用作為控制元件的進(jìn)展，已經(jīng)成了一種推動(dòng)力。不僅提高了對這些系統(tǒng)的理論分析和綜合方法，而且使得設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)更接近于理想系統(tǒng)的性能。

系統(tǒng)仿真是自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，為了設(shè)計(jì)出一個(gè)品質(zhì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行分析和試驗(yàn)，系統(tǒng)仿真是用計(jì)算機(jī)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一種既安全又經(jīng)經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。系統(tǒng)仿真技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航空，航天，船舶，軍工，冶金，電力，化工以及交通管制等各個(gè)部門和科研上。隨著計(jì)算機(jī)的普及，系統(tǒng)仿真，尤其是數(shù)字仿真，越來越普遍地用于工程設(shè)計(jì)，研究，教育，操縱人員的訓(xùn)練及系統(tǒng)試驗(yàn)等各個(gè)方面，并取得了十分明顯的效益。

1 模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真

圖1 小功率模擬隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

選取一小功率模擬隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)地框圖如圖1所示。已知系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：T1= 0 .01，T2= 0 .05，K0=1，K1= 3 00，K2=1，Kc= 0 .08。當(dāng)系統(tǒng)輸入分別為 θsr=1(t)和θsr=t時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。

2（a） 輸入為 θ sr ( t) = 1 (t)時(shí)的模擬隨動(dòng)系統(tǒng)仿真波形

圖2 模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真

2 數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真

選取與模擬隨動(dòng)系統(tǒng)一致的小功率數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3所示。已知參數(shù)設(shè)置為：

圖3 小功率數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

（1）當(dāng)系統(tǒng)輸入為 θsr( t) = 1 (t)時(shí)，K0=1，K1=30000，K2=20，Kc= 0 .08，a1= 1 00，a2= 2 0，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。（2）當(dāng)系統(tǒng)輸入為θsr=t時(shí)，K0=1，K1=30000，Kc= 0 .04，a1= 1 00，a2= 2 0，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的仿真波形

3 數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)與模擬隨動(dòng)系統(tǒng)的比較

模擬隨動(dòng)系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，由模擬電子電路構(gòu)成控制器，因而存在如下的主要弱點(diǎn)：有運(yùn)算放大器構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器，其參數(shù)一經(jīng)設(shè)定，不易經(jīng)常調(diào)整，對工況的變化和對象的變化自適應(yīng)能力差；模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)高級的控制策略和控制方法，難以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)這樣復(fù)雜對象的控制；受成本的限制，對反饋量的模擬電路檢測精度不高，因而控制精度也不易提高；用模擬期間構(gòu)成的控制電路集成度不高，硬件復(fù)雜，可靠性低，可重復(fù)性差。

以微處理器為核心的數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，不僅克服了上述連續(xù)控制的弱點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)原模擬控制不可想象的高復(fù)雜程度、高精度的控制，為運(yùn)動(dòng)控制注入了新的活力，并將其推向更高的發(fā)展階段。

歸納數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：數(shù)字控制隨動(dòng)系統(tǒng)集成度高，只需改變控制算法軟件即可，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制器即可控制直流電機(jī)又可控制交流電機(jī)；數(shù)字控制器的輸入輸出通道可以可以實(shí)現(xiàn)控制量的模擬輸出，具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高、精度高等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)算控制系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)；采用高速數(shù)字信號處理器為控制器，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高性能的運(yùn)動(dòng)控制策略和方法，如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性，可以盡可能充分地實(shí)現(xiàn)人工智能，更好地適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變；借助一些人機(jī)界面設(shè)備（如與處理器相連的是液晶顯示屏、控制面板、觸摸屏等）實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能；借助處理器的通訊能力實(shí)現(xiàn)于上位機(jī)的通訊；借助現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層控制設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)；因而更方便地實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度的多機(jī)協(xié)同工作。單個(gè)電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)只是一條生產(chǎn)線或一個(gè)車間集散控制系統(tǒng)或分布控制系統(tǒng)（DCS）中的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)控制回路，它是復(fù)雜的控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的對象。

從仿真結(jié)果可以看出數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)是完全可以取代模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)的，而且其使用也優(yōu)于模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)。