基于跟踪微分器的反馈控制器设计
本科毕业设计论文题目基于跟踪微分器的反馈控制器设计
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
毕业
任务书
一、题目
基于跟踪微分器的反馈控制器设计
二、指导思想和目的要求
利用已有的专业知识，培养学生解决实际工程问题的能力；
锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力
三、主要技术指标
1、熟悉掌握跟踪微分器的基本原理；
2、设计倒立摆反馈控制器；
四、进度和要求
第01周----第02周：英文翻译；
第03周----第04周：了解跟踪微分器的发展趋势；
第05周----第06周：学习跟踪微分器；
第07周----第09周：建立倒立摆系统的数学模型；
第10周----第11周：利用跟踪微分器设计倒立摆反馈控制器；
第12周----第13周：编写仿真程序，验证控制器性能；
第14周----第16周：撰写毕业设计论文，论文答辩；
五、主要参考书及参考资料
[1]郑大中.线性系统理论[M]．北京：清华大学出版社，2002
[2]王蓉.基于倒立摆系统的稳定控制算法研究[D]. 西安: 西安电子科技大
学, 2011.
[3]周端.倒立摆系统控制方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.
[4]俞立.鲁棒控制—线性矩阵不等式处理方法[M].北京: 清华大学出版社,
2002.
[5]王新华,刘金琨.微分器设计与应用-信号滤波与求导[M],电子工业出版社,2010
[6]薛定宇,控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用[M],清华大学出版社,2008
[7] 申铁龙,H∞控制理论及应用[M],清华大学出版社,1996
学生指导教师系主任
摘要
倒立摆系统是一个多变量、强耦合、自然不稳定的高阶非线性系统，研究它的控制设计具有很大的意义。一方面可以反映许多控制理论中的经典问题，如系统鲁棒性问题、镇定问题、跟踪问题；另一方面对于军事工业、航天仪器、机器人领域和一般工业进程也有着很高的理论指导意义，是控制理论与实际应用的桥梁；倒立摆系统作为检验各种控制算法和控制理论的典型实验装置，为检验控制器设计方法的有效性做了重要贡献。
本文主要研究了基于跟踪微分器利用反馈线性化思想实现倒立摆系统稳定控制的问题。介绍了跟踪微分器的基本原理，给出了典型的微分器模型。以倒立摆系统为控制对象,阐述了倒立摆系统的研究意义以及倒立摆稳定控制的研究现状,用分析力学中的牛顿力学方法建立倒立摆的数学模型,并根据线性系统理论,对线性化后的模型进行性能分析。然后详细地介绍了反馈线性化的相关理论,并根据反馈线性化的思想给出了利用跟踪微分器实现动态补偿的方法。根据此方法,设计了倒立摆系统控制器，并在Matlab/Simulink 下编程进行了仿真，对所设计控制器的可行性进行了验证。
关键词：倒立摆控制，反馈线性化，跟踪微分器，稳定控制
ABSTRACT
The inverted pendulum system is a multi-variable, strong coupling, natural instability and higher order nonlinear system. On the one hand, the inverted pendulum system control can reflect classic problems of control theory, such as the robustness, stabilization and tracking problem. On the other hand, it has a high theoretical guiding significance for the military industry, aerospace equipment, robotics and general industrial processes. Moreover, it sets up a bridge between control theory and practical application. Inverted pendulum system is the typical experimental setup for testing various control algorithms and control theory, so it makes an important contribution to the effectiveness of the test controller design method.
This paper studies the problem-based tracking differentiator using feedback linearization idea inverted pendulum stability control system. The basic principle of the tracking differentiator, given the typical model differentiator. Inverted pendulum system is based on linear system theory, the linearized control object, explained the significance of the inverted pendulum system and the research status of the inverted pendulum stability control, a mathematical model of the inverted pendulum mechanics with Newtonian mechanics analysis methods, and the model for performance analysis. Then describes in detail the theory of feedback linearization and ideas based on feedback linearization gives the advantage of tracking differentiator achieve dynamic compensation method. Under this method, the design of the inverted pendulum system controller and programming the simulation in Matlab / Simulink, the feasibility of the controller design was verified.
KEY WORDS：inverted pendulum control，feedback linearization，tracking differentiator，stabilizing control
倒立摆系统状态反馈控制器的设计全套设计论文
开题报告 电气工程及自动化 倒立摆系统状态反馈控制器的设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 倒立摆作为一个研究控制理论的实验装置，其系统具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，现代控制理论的研究人员将它视为典型的研究对象，这是因为倒立摆的控制过程能有效地反映控制中的许多关键问题，问题、随动问题以及跟踪问题。并且可以不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种形式的倒立摆系统成为控制理论研究领域的热点。随着摆杆上端继续再铰链另外的摆杆，控制难度将不断增大。因此，多级倒立摆的高度非线性和不确定性，使其控制稳定成为控制界公认的难题。 许多新的控制理论，都通过倒立摆实验加以验证，如模糊控制、神经网络控制、拟人控制都受到倒立摆的检验。通过对倒立摆的控制，我们能用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。因此倒立摆具有重要的理论价值。该课题的研究一直受到国内外者的广泛关注，成为控制热门研究课题之一。 在国外，对倒立摆系统稳定控制的研究始于60年代，我国则从70年代中期开始研究。对倒立摆系统的研究，主要是对两个问题进行考虑。一个是如何使倒立摆起摆；另一个是如何使倒立摆稳定摆动。目前，对这两个问题的研究非常热门。很多学者已对这两个问题提出了不同的控制方法。 倒立摆起摆就是倒立摆系统从一个平衡状态转移到另一个平衡状态。在这个过程中既要起摆快速，又不能有过大的超调。倒立摆起始摆动有许多控制方法，其中最主要的是能量控制、最优控制、智能控制。目前有已有几种方法成功实现倒立摆的起摆控制，这些方法都是基于非线性理论的控制方法。 倒立摆稳定控制的研究也一样热门，且也有一定的成果。国内外专家学者根据经典控制理论与现代控制理论应用极点配置法，设计模拟控制器，先后解决了单级倒立摆与二级倒立摆的稳定控制问题。随着计算机的广泛应用，又陆续实现了数控二级倒立摆的稳定控制。目前对四级倒立摆的控制的研究也已经开始研究并取得了一定的成就。 用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，已经成为了最具有挑战性的课题
基于跟踪微分器的反馈控制器设计
本科毕业设计论文题目基于跟踪微分器的反馈控制器设计 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间
毕业 任务书 一、题目 基于跟踪微分器的反馈控制器设计 二、指导思想和目的要求 利用已有的专业知识，培养学生解决实际工程问题的能力； 锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力 三、主要技术指标 1、熟悉掌握跟踪微分器的基本原理； 2、设计倒立摆反馈控制器； 四、进度和要求 第01周----第02周：英文翻译； 第03周----第04周：了解跟踪微分器的发展趋势； 第05周----第06周：学习跟踪微分器； 第07周----第09周：建立倒立摆系统的数学模型； 第10周----第11周：利用跟踪微分器设计倒立摆反馈控制器； 第12周----第13周：编写仿真程序，验证控制器性能； 第14周----第16周：撰写毕业设计论文，论文答辩； 五、主要参考书及参考资料 [1]郑大中.线性系统理论[M]．北京：清华大学出版社，2002 [2]王蓉.基于倒立摆系统的稳定控制算法研究[D]. 西安: 西安电子科技大 学, 2011. [3]周端.倒立摆系统控制方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007. [4]俞立.鲁棒控制—线性矩阵不等式处理方法[M].北京: 清华大学出版社,
2002. [5]王新华,刘金琨.微分器设计与应用-信号滤波与求导[M],电子工业出版社,2010 [6]薛定宇,控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用[M],清华大学出版社,2008 [7] 申铁龙,H∞控制理论及应用[M],清华大学出版社,1996 学生指导教师系主任
现代控制理论实验五、状态反馈控制器设计河南工业大学
河南工业大学《现代控制理论》实验报告 专业: 自动化 班级: F1203 姓名: 蔡申申 学号:201223910625完成日期：2015年1月9日 成绩评定: 一、实验题目： 状态反馈控制器设计 二、实验目的 1. 掌握状态反馈和输出反馈的概念及性质。 2. 掌握利用状态反馈进行极点配置的方法。学会用MATLAB 求解状态反馈矩阵。 3. 掌握状态观测器的设计方法。学会用MATLAB 设计状态观测器。 三、实验过程及结果 1. 已知系统 u x x ??????????+??????????--=111100020003. []x y 3333 .02667.04.0= （1）求解系统的零点、极点和传递函数，并判断系统的能控性和能观测性。 A=[-3 0 0;0 2 0;0 0 -1];B=[1;1;1];C=[0.4 0.266 0.3333]; [z p k]=ss2zp(A,B,C,0) 系统的零极点： z = 1.0017 -1.9997 p = -3 -1 2 k = 0.9993
[num den]=ss2tf(A,B,C,0) num = 0 0.9993 0.9973 -2.0018 den = 1 2 -5 -6 系统的传递函数： G1=tf(num,den) G1 = 0.9993 s^2 + 0.9973 s - 2.002 ----------------------------- s^3 + 2 s^2 - 5 s - 6 Continuous-time transfer function. Uc=ctrb(A,B); rank(Uc) ans = 3 满秩，系统是能控的。 Vo=obsv(A,C); rank(Vo) ans = 3 满秩，系统是能观的。 （2）分别选取K=[0 3 0]，K=[1 3 2]，K=[0 16 /3 –1/3]（实验中只选取其中一个K为例）为状态反馈矩阵，求解闭环系统的零点、极点和传递函数，判断闭环系统的能控性和能观测性。它们是否发生改变?为什么？ A=[-3 0 0;0 2 0;0 0 -1];B=[1;1;1];C=[0.4 0.266 0.3333];K=[0 3 0]; [z p k]=ss2zp(A-B*K,B,C,0) z = 1.0017 -1.9997 p = -3 -1 -1 k = 0.9993 [num den]=ss2tf(A-B*K,B,C,0);G2=tf(num,den) G2 =
太阳能热水器的控制器的设计
太阳能热水器的通用控制器研制 武汉工程大学刘增华李伟 1、系统功能与指标 1.1功能特点 具有目前产品的一般功能： 1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% ~99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。 2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择0°C~80°C（我们选取60°C），自动加热。 3)水位指示：LED五段显示。 4)水温指示：LCD液晶数字显示。 5) 自动上水：为防止空晒，当水位低于10%时，系统强制上水；当水位低于30%时，提示报警，若没有使用，启动自动上水，若使用，则报警提示先上水，再使用。 6)辅助加热：当出现阴雨天气，水温达不到要求，启动辅助电加热，电加热温度上限设置为60°C。 同时还具有新加功能： 1)智能模式：检测淋浴水温，自动调节凉水的流量，自动调节，使水温保持在设定温度的2°C范围内，并保持有足够的流量。 1.2技术指标 1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% ~99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。 2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择60°C，自动加热。 3)水位指示：分段显示（5段显示）。 4)水温指示：数字显示（精度为1度）。 5)自动上水：为防止空晒，当水位低于30%时，提示报警，若没有使用，启动自动上水。若使用，则报警提示先上水，再使用。 6)智能模式：检测淋浴水温，自动调节热水、凉水的流量，自动调节，使水温保持在设定温度的2°C范围内，并保持有足够的流量。 2、系统结构设计 2.1系统的工作原理 太阳能热水器辅助控制系统结构如图1所示。在太阳能热水器的储水箱内增加一个电加器，采用220V市电加热，由辅助控制系统的继电器控制通断电，用来在温度达不到要求的时候进行辅助加热来保证热水温度。水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。流量控制阀用通过步进电机来精确控制冷水即自来水的流量，来保证热水与冷水混合后的温度达到用户的要求。当水位不足报警时，通过电磁阀启动上水，上水的过程中，不允许淋浴，且放水电磁阀关闭。当需要淋浴时，放水电磁阀打开，通过自动控制冷水电磁阀的开度来保证冷水与热水混合后的温度与用户设定值基本一致（水温保持在设定温度的2°C范围内），淋浴过程中，系统禁止上水和辅助加热。当淋浴完后按下”淋浴完键”，系统停止放水并且电机要复位。系统的总体结构图如下。
采用Simulink实现跟踪_微分器
收稿日期:20020510 采用Si m ul i nk 实现跟踪—微分器 Rea l iza tion of Track i ng -d ifferen ti a tor Ba sed of Si m ul i nk 朱建华 Zhu J ianhua 孙秀霞Sun X iuxia 王春山 W ang Chunshan (空军工程大学工程学院 西安 710038) (T he Engineering Institute of the A ir Fo rce Engineering U niversity ,X i ′an ,710038,Ch ina ) 摘 要 提出的跟踪—微分器可以在对象结构未知的情况下,从受到噪声污染的信号中提取跟踪信号和微分信号, 采用Si m ulink 可以很方便地完成跟踪—微分器的编程。实践证明,新的跟踪—微分器可以应用在许多技术领域。 关键词 M atlab Si m ulink 跟踪—微分器 在实际工程中,常存在由不连续或带随机噪声的量测信号合理地提取连续信号及微分信号的问题。如实现P I D 调节,需要由不连续参考输入合理地提取微分信号;目标跟踪需要从雷达的位置量测信号中合理地提取连续的位置信号及速度信号,等等。由于直接求微分在物理上无法实现,而采用线性微分及线性滤波等手段还不能令人满意地解决诸如此类问题[1]。为此,文献[1]提出了一种非线性的跟踪—微分器,可以在对象模型未知或非线性的情况下完成这样的功能。 在跟踪—微分器的实现上,采用Si m u link 可以很方便地实现跟踪—微分器的软件编程与调试,如果同时使用M atlab 中与Si m u link 配套的各种工具箱,就可以很方便地把带有跟踪—微分器的Si m u link 程序转换成各种低级语言编写的程序,甚至可以生成可执行程序,固化到硬件中。 1 跟踪—微分器 所谓跟踪—微分器就是这样的结构:对它输入一个信号v (t ),它将输出2个信号z 1和z 2,其中z 1跟踪v (t ),而z 2=z α1,从而把z 2作为v (t )的 “近似微分”。仿真表明,适当构造跟踪—微分器的内部结构,信号z 1、z 2可以在输入端信号不连续或包含一定的噪声时较好地提取出连续信号及其微分信号,而且速度快,精度高。离散化的一阶跟踪—微分器的差分方程如下: x 1(k +1)=x 1(k )+h 3x 2(k ) x 2(k +1)=x 2(k )+h 3f st 2(x 1(k ),x 2(k ),u 0(k ),r ,h )(1) 其中f st 2( )由式(2)给出: ?=h r ,?1=h ? e (k )=x 1(k )- u 0(k ),z 1(k )=e (k )+hx 2(k )g (k )=x 2(k )-sign (z 1(k ))(?- ?2+8r z 1(k ) 2), z 1(k ) ≥?1x 2(k )+z 1(k ) h , z 1(k ) ≤?1f st 2(x 1(k ),x 2(k ),u 0(k ),r ,h )= - r sign (g (k )), g (k )≥? -rg (k ) ?, g (k )≤? (2) 式中,u 0是被跟踪的输入信号,x 1和x 2是跟踪—微分器的状态变量,h 是离散化采样步长,r 是反映跟踪快慢的速度因子。式(1)和式(2)按等时区方法综合出其最速控制的综合函数。这种形式的跟踪—微分器在跟踪性能、微分品质及消除颤震等方面都有很好地效果。 为了能跟踪二阶导数,需要将上述两个二阶离散跟踪—微分器串起来,并以第一个跟踪—微分器的第二个输出作为第二个跟踪—微分器的输入。即: 6 4采用Si m u link 实现跟踪—微分器
双闭环控制器设计方法
3.2.2 电流的直接控制 电流直接控制，就是采用跟踪型的PWM 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，可以采用滞缓比较方式，也可采用三角波比较方式，进行电流的直接控制。采用PWM 技术的直接控制方法从原理上来说可以有效地滤除系统中的无功电流和全部有害电流。与间接控制方法相比较，直接控制方法具有更高的响应速度和控制精度，但它要求开关频率高，因为大功率器件很难以高开关频率运行，因此不采用电流直接控制。一般来说，电流直接控制适合于小功率场合。但从目前世界上运行的无功补偿器的情况看来，电流直接控制在中、大容量系统也有应用。日本新农用于输电80Mvar 的SVG 和日本神户用于钢厂负荷补偿20Mvar 的SVG 均采用了电流直接控制方式。前者在电网严重不对称，甚至短路时仍可照常工作;后者对炼钢电极短路引起的电网电压闪变有很好的抑制作用。电流直接控制的SVG 控制系统有两种基本结构：1.滞环比较控制；2.电压电流双闭环控制. 本文主要讨论电压电流双闭环控制方法。控制结构如图3.2所示，采用了dq 轴下的瞬时控制系统。SVG 发出的电流瞬时值经dq0坐标变换变为d i q i 0i ，与有功电流、无功电流参考值作比较后，经PI 调节器所得值，再经dq0反变换，得到三相电压信号，进行三角波比较电流跟踪型PWM 控制。其中，有功电流参考值由直流侧电压参考值与直流侧电容电压反馈值比较后经PI 调节器得到。由于 参考值*d i 和* q i ，和反馈值d i q i 在稳态时均为直流信号，因此通过PI 调节器可以实 现无稳态误差的电流跟踪控制。即此方法中采用了双闭环反馈控制，内环是电流环控制，外环是电压环控制。
状态反馈控制器设计习题
Chapter5 状态反馈控制器设计 控制方式有“开环控制”、“闭环控制”。“开环控制”就是把一个确定的信号（时间的函数）加到系统输入端，使系统具有某种期望的性能。然而，由于建模中的不确定性或误差、系统运行过程中的扰动等因素使系统产生一些意想不到的情况，这就要求对这些偏差进行及时修正，这就是“反馈控制”。在经典控制理论中，我们依据描述控制对象输入输出行为的传递函数模型来设计控制器，因此只能用系统输出作为反馈信号，而在现代控制理论中，则主要通过更为广泛的状态反馈对系统进行综合。 通过状态反馈来改变和控制系统的极点位置可使闭环系统具有所期望的动态特性。利用状态反馈构成的调节器，可以实现各种目的，使闭环系统满足设计要求。参见138P 例5.3.3，通过状态反馈的极点配置，使闭环系统的超调量%5≤p σ，峰值时间（超调时间）s t p 5.0≤，阻尼振荡频率10≤d ω。 5.1 线性反馈控制系统的结构与性质 设系统),,(C B A S =为 Bu Ax x += Cx y = （5-1） 图5-1 经典控制-输出反馈闭环系统 经典控制中采用输出(和输出导数)反馈（图5-1）： v Fy u +-= F 为标量，v 为参考输入 （5-2） Bv x BFC A v Fy B Ax Bu Ax x +-=+-+=+=）（）（ 可见，在经典控制中，通过适当选择F ，可以利用输出反馈改善系统的动态性能。 现代控制中采用状态反馈（图5-1）： v Kx u +-=，n m K ?~ （K 的行=u 的行，K 的列=x 的行）称为状态反馈增益矩阵。 状态反馈后的闭环系统),,(C B A S K K =的状态空间表达式为 Bv x A Bv x BK A x K +=+-=)( Cx y = （5-3） 式中： BK A A K -≡ （5-4）
太阳能自动跟踪装置控制系统设计
本科生毕业论文 题目太阳能自动跟踪装置控制系统设计 系别机械交通学院 班级机制 122 姓名李鹏万 学号 123731214 答辩时间 2016年5月 新疆农业大学机械交通学院
目录 摘要：太阳能作为一种新型清洁能源，受到了世界各国的广泛重视。现阶段影响太阳能普及的主要原因是太阳能电池的成木较高而光电转化效率却较低。因此，如何提高太阳能利用效率是太阳能行业发展的关键问题。在国内，大多数太阳能电池阵列都是固定安装的，无法保证太阳光实时垂直照射，导致太阳能资源不能得到充分利用。自动太阳跟踪控制系统在跟踪太阳旋转的情况下可接收到更多的太阳辐射能量，从而提高太阳能电池板的输出功率，该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。 0 1 设计研究背景及意义 (2) 2 主要研究内容 (2) 2.1 系统的设计目标 (2) 2.2 设计的主要内容 (2) 3 系统的总体设计 (3) 3.1 太阳自动跟踪方式的确定 (3) 3.2 本设计的设计思想 (3) 4 太阳能充电控制器的设计 (4) 4.1 太阳能电池的选型 (4) 4.2 蓄电池的选型 (6) 4.2.1 铅酸蓄电池基本概念 (6) 4.2.2 本系统蓄电池的选型 (7) 4.3 太阳能充电控制器的设计 (8) 4.3.1 UC3906芯片的介绍 (8) 4.3.2 BUCK电路的设计 (8) 4.4 充电控制器外围电路设计 (10) 5 跟踪系统传感器检测装置的设计 (12) 5.1 阴天检测装置的设计 (12) 5.2 白天黑夜检测装置 (14) 5.3 太阳位置传感器的介绍 (14) 5.3.1 传感器检测部分的设计 (14) 5.3.2 光敏二极管的介绍 (16) 5.3.3 LM324芯片的介绍 (16) 6 视日运动轨迹模块设计 (17) 6.1 太阳赤纬角的计算 (17) 6.2 太阳高度角的计算 (17) 6.3 太阳方位角的计算 (18) 6.4 日出日落时间计算 (18) 7 执行器件的选型 (18) 7.1 步进电机的选型 (18) 7.2 步进电机驱动器的选型 (19) 7.3 执行器件的连接方式 (20) 8 控制系统的设计 (21) 8.1 单片机电源模块的设计 (22) 8.2 驱动器电源模块的设计 (22)
线性跟踪微分器及其在状态反馈控制中的应用
第19卷 第2期1999年4月北京理工大学学报Jo urnal of Beijing Instit ute o f T echnolog y V o l.19 No.2A pr.1999 线性跟踪微分器及其在状态反馈 控制中的应用 王庆林 姜增如 (北京理工大学自动控制系,北京 100081) 刘喜梅 (青岛化工学院自动控制系,青岛 266042)摘 要 目的 给出线性跟踪微分器的设计方法,并研究将其用于控制系统状态反馈的 效果.方法 利用积分器反馈方法,给出了 阶线性跟踪微分器(可实现对微分信号的 阶静态无差跟踪)及 阶强跟踪微分器(可直接获得待微分信号的1～ 阶微分估值)两种线性跟踪微分器设计方案,并将其用于直接获取状态及进行状态反馈控制的仿真研究.结果 与结论 结果表明只要合理地选择跟踪微分器的类型及参数,无论对线性系统还是非线 性时变系统,这一方法均是有效的.文中还给出了选择线性跟踪微分器的基本原则. 关键词 跟踪微分器;状态估计;状态反馈;逆系统方法;非线性系统 分类号 T P 274 收稿日期:19980409 中国科学院自动化研究所复杂系统工程学开放实验室基金资助项目 文献[1]基于韩京清非线性跟踪微分器思想[2] ,给出了一种线性跟踪微分器的设计方法.本文对其进行了改进,提出了 阶线性跟踪微分器与 阶线性强跟踪微分器的概念. 阶线性跟踪微分器可以实现对微分信号的 阶静态无差跟踪,有效地提高微分信号的质量,同时采用 阶跟踪微分器的串联还可以获得待微分信号的各阶微分的渐近估计. 阶强跟踪微分器则可以直接获得待微分信号的1～ 阶微分估值,并具有相对高的静态无差度. 本文还对利用线性跟踪微分器方法实现控制系统的状态反馈设计问题进行了仿真研究.通过对线性系统及非线性时变系统的仿真表明:只要合理地选择跟踪微分器,这一方法是十分简单和有效的,为控制系统的状态反馈设计提供了极大的便利.1 阶线性跟踪微分器与 阶线性强跟踪微分器简介 阶线性跟踪微分器与 阶线性强跟踪微分器分别如图1a,1b 所示. 图1 阶线性跟踪微分器与 阶线性强跟踪微分器原理图 +-u (t )G (s ) o y (t )s 1(a) (b)1 s y (t )o G (s )u (t )- +
高精度太阳能跟踪控制器设计与实现_关继文
《自动化与仪器仪表》２０１０年第３期（总第１４９期） ２３ 高精度太阳能跟踪控制器设计与实现 关继文１，２，３，孔令成１，３，张志华１，３ （１中国科学院合肥智能机械研究所 安徽合肥，２３００３１）（２中国科学技术大学自动化系 安徽合肥，２３００２７） （３常州机械电子工程研究所 江苏常州，２１３１６４） 摘 要：针对目前采用传感器检测实现的太阳能跟踪控制器抗干扰性差，跟踪误差大的缺点，介绍了采用软 件算法和传感器检测控制结合的高精度太阳能跟踪控制器设计与实现的方法。软件算法是根据天体的运行规律来计算太阳的高度角和方位角，控制太阳能跟踪器的水平角和俯仰角的范围。传感器检测控制是由精密的四象限传感器检测电路来实现，在软件算法计算的水平角和俯仰角移动的范围内搜索，精确的跟踪太阳光信号的最强点，提高太阳光能的利用率。 关键词：太阳能跟踪器；四象限传感器；高度角；方位角；算法 Abstract: Due to the existing solar tracking controller having defect of poor anti-interference and large tracking error ,this paper introduces the method of design and implementation of the software algorithms and sensor measurement and control with high precision solar tracking controller . Software algorithms to run in accordance with the laws of celestial bodies to calculate the sun's elevation angle and azimuth control the range of the pitch and horizontal angle of the solar tracker .Sensor measurement and control is a sophisticated four-quadrant sensor detection circuit to achieve in the software algorithm discussed above ,accurate tracking of the sun the strongest signal,and greater utilization of solar energy. Key words: Solar tracker ; Four-quadrant sensor ; Altitude ; Azimuth ; Algorithm 中图分类号：TP273.5 文献标识码：B 文章编号：1001-9227(2010)03-0023-03 0 引 言 太阳能跟踪控制器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳能电池板能垂直照射的机械动力装置，能够显著提高太阳能光伏器件的发电利用率。由于地球的公转和自转，每一个固定地点在一年四季每天每时每刻，太阳的照射角度都有不同，要提高太阳能的利用率，必须保证太阳能电池板能够根据太阳位置的不同而转动。目前，通用的太阳能跟踪控制器是根据经度和纬度的不同，按照天体运行的规律来计算每时刻太阳所在高度角和方向角。天体运行的计算需要运用到大量的浮点、三角、反三角等复杂的运算，要保证计算的精度，普通的单片机需要耗费大量的时间，不能实时的计算。另外，由于蒙气差（大气折射）的存在，蒙气差随着大气密度、温度和压力等条件的变化而变化，不可能很精确的实现太阳跟踪。现在市场上也有采用硬件检测电路来实现的太阳能跟踪器，其采用光电池作为传感器，来实现太阳跟踪。这种跟踪器的精度要靠高精度的传感器，精密的实验电路来保证；并且抗干扰性差，容易跟错目标［１］。 由于现有的太阳能跟踪控制器存在这些缺点，本文设计了一种新型的高精度太阳能跟踪控制器。该控制器由软件算法、传感器检测控制来综合实现，可以精确的跟踪太阳，提高太阳光能的利用率；具有很高的抗干扰性，并且可以节约跟踪器的成本。 2 太阳能跟踪控制器概述 高精度太阳能跟踪控制器采用软件算法控制和传感器检测精确控制综合来实现。软件算法控制根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围。传感器检测控制在该范围内搜索检测太阳光的最强点，提高太阳能的利用率。软件算法控制可以提高系统的抗干扰能力。由于外界自然环境复杂多变，天空中飞起的树叶或生活垃圾，以及云层的运动都会对传感器检测造成干扰，使跟踪器产生很大的跟踪误差。所以采用这种高精度太阳能跟踪控制器可以提高跟踪的精度和抗干扰能力［２］。 太阳能跟踪控制系统框图如图１所示。软件算法控制主要通过读取当前时间，由ＤＳＰ根据相关的算法计算出太阳能电池板要旋转的水平角和俯仰角。传感器检测控制由四象限传感器、信号放大电路、绝对值电路、比较电路等组成。 图１ 控制系统框图 收稿日期：２００９－１２－１５ 作者简介：关继文（１９８４－），男，安徽宿州人，研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置，ＤＳＰ 及太阳能跟踪控制。
状态反馈控制系统的设计与实现
控制工程学院课程实验报告： 现代控制理论课程实验报告 实验题目：状态反馈控制系统的设计与实现 班级自动化（工控）姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1-6 一、实验目的及内容 实验目的： （1 ）掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法； （2 ）比较输出反馈与状态反馈的优缺点； （3 ）训练程序设计能力。 实验内容： （1 ）针对一个二阶系统，分别设计输出反馈和状态反馈控制器；（2 ）分别测出两种情况下系统的阶跃响应； （3 ）对实验结果进行对比分析。 二、实验设备 装有的机一台 三、实验原理 一个控制系统的性能是否满足要求，要通过解的特征来评价，也就是说当传递函数是有理函数时，它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。因此若被控系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置极点，使被控系统达到期望的时域性能指标。
闭环系统性能与闭环极点（特征值）密切相关，在状态空间的分析和综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息。 (一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是：受控系统可控。 设（ ）受控系统的动态方程为 状态向量x 通过状态反馈矩阵k ，负反馈至系统参考输入v ，于是有 这样便构成了状态反馈系统，其结构图如图1-1所示 图1-1 状态反馈系统结构图 状态反馈系统动态方程为 闭环系统特征多项式为 ()()f I A bk λλ=-+ （1-2） 设闭环系统的期望极点为1λ，2λ，…，n λ，则系统的期望特征多项式 x b v u 1 s C A k - y x &
为 )())(()(21*n f λλλλλλλ---=Λ （1-3） 欲使闭环系统的极点取期望值，只需令式（1-2）和式（1-3）相等，即 )()(* λλf f = （1-4） 利用式（1-4）左右两边对应λ的同次项系数相等，可以求出状态反馈矩阵 []n k k k Λ 2 1 =k (二) 对线性定常连续系统∑(),若取系统的输出变量来构成反馈,则所得到的闭环控制系统称为输出反馈控制系统。输出反馈控制系统的结构图如图所示。 开环系统状态空间模型和输出反馈律分别为 H 为r ＊m 维的实矩阵,称为输出反馈矩阵。 则可得如下输出反馈闭环控制系统的状态空间模型: 输出反馈闭环系统可简记为H(),其传递函数阵为: (s)()-1B B ? A C H y - x u v + + + x ' 开环系统 A B C H '=+?? =?=-+x x u y x u y v ()A BHC B C '=-+??=? x x v y x
自制太阳能自动跟踪控制器
自制太阳能自动跟踪控制器 现有的太阳能自动跟踪控制器无外乎两种:一是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器,构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转;二是使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大,所以上述两种控制器很难使大阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。这里所介绍的控制电路也包括两个电压比较器,但设在其输人端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻,另一只为下偏置电阻;一只检测太阳光照,另一只则检测环境光照,送至比较器输人端的比较电平始终为两者光照之差。所以,本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳,而且调试十分简单,成本也比较低。 电路原理
电路原理图如图1所示,双运放LM358与R1、R2构成两个电压比较器,参考电压为VDD(+12V)的 1/2。光敏电阻 RT1、RT2与电位器 RP1和光敏电阻RT3、RT4与电位器RP2分别构成光敏传感电路,该电路的特殊之处在于能根据环境光线的强弱进行自动补偿。如图2所示,将RT1和 RT3安装在垂直遮阳板的一侧,RT4和RT2安装在另一侧。当RT1、RT2、RT3和RT4同时受环境自然光线作用时,RP1和RP2的中心点电压不变。如果只有RT1、RT3受太阳光照射,RT1的内阻减小,LM358的③脚电位升高,①脚输出高电平,三极管VT1饱和导通,继电器K1导通,其转换触点3与触点1闭合。同时RT3内阻减小,LM358的⑤脚电位下降,K2不动作,其转换触点3与静触点2闭合,电机M正转;同理,如果只有RT2、 RT4受太阳光照射,继电器K2导通,K1断开,电机M反转。当转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时,继由器K1、K2都导通,电机M才停转。在太阳不停地偏移过程中,垂直遮阳板两侧光照度的强弱不断地交替变化,电机M转——停、转——停,使太阳能接收装置始终面朝太阳。4只光敏电阻这样交叉安排的优点是: (l)LM358的③脚电位升高时,⑤脚电位则降低,LM358的⑤脚电位升高时,③脚电位则降低,可使电机的正反转工作既干脆又可靠;(2)可直接用安装电路板的外壳兼作垂直遮阳板,避免将光敏电阻RT2、RT3引至蔽阴处的麻烦。 使用该装置,不必担心第二天早晨它能否自动退回。早晨太阳升起时,垂直遮阳板两侧的光照度不可能正好相等,这样,上述控制电路就会控制电机,从而驱动接收装置向东旋转,直至太阳能接收装置对准太阳为止。 安装调试
太阳光自动跟踪设计_图文(精)
摘要 通过分析全国日照时数表得出:开环系统在太阳能光伏工程中效率不高而并不适合采用。为合理地利用太阳能,提高其跟踪效率而采用混合控制系统。文中着重分析了双轴跟踪的原理,提出了手动式方位角跟踪和自动式八方位高度角跟踪,引出了分级接收跟踪原理,设计了软件流程并和一套任意方位跟踪系统。运行结果表明,该系统能实现太阳光任意方位检测并迅速跟踪,有效降低系统运行功耗,减少机械结构损耗,跟踪精度可调,可望在太阳能光伏工程中获得应用。并促进太阳光的接收效率。 【关键词】太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器 Abstract The open system is not suitable for adoption in solar photovoltaic engineering because of its inefficiency through analyzing the national sunshine duration https://www.360docs.net/doc/2a14365834.html,ing the mixture control system can enhance its track efficiency and make full use of solar energy reasonably.The paper analyzed the two axle track principle emphatically,then proposed the manual azimuth tracking and the automatic altitude angle tracking of 8 positions,educed hierarchical receive track principle,designed the software flow and a suit of arbitrariness azimuth track system.Running results indicated that the system can accomplish solar arbitrariness azimuth detection and tracking rapidly,fall running power consume efficiently,reduce consume of mechanical structure,and have adjustable tracking precision.It may obtain applications in solar photovoltaic engineering. 【Key words】 solar Automatic tracking system；time and space control；light intensity control；solar tracking sensor 目录 第一章引言 1
太阳光自动跟踪控制器设计 OPA2132
太阳光自动跟踪控制器设计
摘要 近年，能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。随着现代的能源越来越少，有些能源趋于匮乏状态。所以我们就根据实际情况设计了一个“太阳光自动跟踪控制器”。 现在，我们居住的家园以太阳光最为普遍，它给我们带来了光和热，我们就要合理的利用光和热，来为我们服务。我们就通过设计的“太阳光自动跟踪控制器”来实现太阳光跟踪。 我们设计的是根据光转换电来实现功能，首先，我们选光敏传感器来实现光电转换，其次，通过OPA2132PA来实现差分运算放大，再由继电器实现电机的正、反转，去控制翻转板的运动。从而实现太阳光自动跟踪。 光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组的两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻：一只检测太阳光照，另一只检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差。所以，本控制器能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳光，调试简单，成本不高，运行可靠。 [关键词]：光敏电阻，OPA2132PA，继电器，直流电机，光电池翻转板。
目录 摘要 (1) 目录..................................................................................................III 引言 (5) 1 毕业设计的基本任务 (5) 2 已有的实验基础和预期结果 (5) 3 毕业设计所完成的主要内容 (5) 第一章自动跟踪控制器概论 (6) 1.1 概述 (6) 1.2 设计原则 (6) 1.2.1 通用性 (6) 1.2.2 实用性 (6) 1.3 系统组成及功能 (6) 1.3.1 太阳光自动跟踪控制器的组成 (6) 1.3.2 功能及工作原理介绍 (7) 第二章设计方案与原理概述 (10) 2.1 设计的要求 (10) 2.1.1 光敏传感器 (10) 2.1.2 OPA2132PA运算放大器 (10) 2.1.3 继电器 (10) 2.2 方案论证 (11) 2.2.1 运算放大器的选择 (11) 2.3 工作原理分析 (11) 2.4 设计中注意的问题 (13) 2.4.1 集成电路的选择和使用 (13) 第三章设计实现 (14) 3.1 PROTEL99SE概述 (14) 3.2 电路原理图设计 (14) 3.2.1 Protel99SE电路原理图常用工具栏 (14) 3.2.2 电路原理图的设计步骤 (14) 3.3 印制电路板设计 (15) 3.3.1 Protel印制电路板设计工具的应用 (15) 3.3.2 PCB布局布线规则 (15)
太阳能充放电控制器设计_课程设计
太阳能充放电控制器设计_课程设计 太阳能充放电控制器设计 摘要 太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。 本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。 在总体方案的指导下，本设计使用低功耗、高性能，超强抗干扰的STC89C52单片机作为核心器件对整个电路进行控制。系统硬件电路由太阳能电池充放电电路，电压采集和显示电路，单片机控制电路和RS232串口通信电路组成，主要实现对蓄电池电压的采集和显示。软件部分依据PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。
关键词：充电控制器；太阳能光伏发电； PWM脉宽调制；
Abstract Solar photovoltaic power generation has become an important part of new energy and renewable energy, it is considered the current world's most promising new energy technologies. At present solar photovoltaic device has been widely used in communications, transport, electricity and other aspects, the core part is the charge controller. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate,whichs makes the battery life to shorten. To solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects ,making some analysis,completed the hardware circuit design and software development, to achieve the high efficiency of the battery management. Under the guidance of the overall program, the design uses low-power, high performance, super anti-jamming STC89C52 microcontroller as a core device to control the entire circuit. Hardware circuit consists of a solar battery charging and discharging circuit, voltage acquisition and display circuit, the MCU control circuit and RS232 serial communication circuit, the main achievement of the acquisition and display battery voltage. Software is based in part on PWM Pulse Width Modulation pulse width
太阳能LED路灯控制器的设计
太阳能LED 路灯控制器的设计 程来星1，卢丽娟2，江超2 （1.黄石职业技术学院湖北黄石435003；2.湖北师范学院物电学院，湖北黄石435002） 摘要：文中首先介绍了太阳能LED 路灯系统的组成，及各组成部分的工作原理。然后详细讨论了用STC90C52单片机实现的太阳能LED 路灯控制器的设计，包括用并联式三端稳压管TL431芯片实现的蓄电池充电控制电路、用场效应管实现的负载输出控制电路、用光敏电阻实现的光控电路、用运算放大器实现的检测电路的硬件电路设计和系统软件的实现。 关键词：太阳能LED 路灯；太阳能电池；蓄电池；控制器的设计中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2013）02-0154-04 Design of the controller of solar energy LED street lamp CHENG Lai -xing 1，LU Li -juan 2，JIANG Chao 2 （1.Huangshi Polytechnic School ，Huangshi 435003，China ； 2.College of Physics and Electronic Science ，Hubei Normal University ，Huangshi 435002，China ） Abstract:Firstly ，the composition of the solar LED street lamp system is introduced and the operating principle of each constituent part of the solar LED street lamp system is discussed.Then the design of the controller of the solar LED street lamp system is analysed detailedly with the use of STC90C52，including the design of charging control circuit of the storage battery using the parallel three -terminal regulator TL431chip ，the load output control circuit using the MOSFET ，the light -operated circuit using the photoresistor ，the detection circuit using the operational amplifier and the design of this system's software.Key words:solar LED street lamp system ；solar battery ；storage battery ；design of the controller 收稿日期：2012-07-23 稿件编号：201207142 基金项目：湖北省教育厅2011年科研基金项目资助（D2*******） 作者简介：程来星（1964—），男，湖北黄石人，副教授。研究方向：单片机技术的教学与科研。 太阳能作为一种新兴的绿色能源，已经得到了广泛的应用，其中以太阳能路灯应用为代表的道路照明工程越来越多的地方被各级政府所看好。太阳能路灯具有易控制、清洁环保无需电费开支及不需要架设输电线路等多方面的优点[1]。太阳能路灯系统由光伏电池极板、蓄电池、照明灯具和控制器等几个部分组成。一般情况下，太阳能路灯系统蓄能装置采用蓄电池，由于铅酸蓄电池具有储能多且成本低等优点，应用最为广泛。但是充放电状态直接对铅酸蓄电池寿命影响，若充电电压不当或铅酸蓄电池使用不当等情况出现，则铅酸蓄电池的寿命就会急剧缩短[2]。为了解决这些问题，设计了一款太阳能LED 路灯控制器。 1太阳能路灯系统的组成 一个完整的路灯系统由4个部分组成[3]：太阳能电池、蓄 电池（锂电池）、控制器、LED 照明灯。日照时，利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，产生一定电压的充电电流，通过太阳能控制器对储能蓄电池进行充电。夜晚，当日照光线强度减弱到一定程度时，太阳能电池板开路电压下降到设定值，太阳能控制器检测到这一电压值后，光控自动启动，由蓄电池通过控制器向负载供电[4]。 路灯蓄电池选用锂离子电池。锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。但对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。锂电池的充电过程包括3个阶段[5]：1）如果开始充电时，电池电量很低（例如低于2.7V ），那么必须用小电流（大概为100mA ）开始充电，即涓流充电。如果电压高于2.7V 就不必进行这个步骤。2）当电池电压大于2.7V 可以开始大电流充电，恒流充电。随着充电的进行，电池电压逐渐升高。3）当电池电压达到或接近充满电压（如4.2V 左右）时，则要开始转入恒压充电；当电流减少到大概10mA 左右，则停止充电。由此可见，对于锂电池充电过程的控制，电压电流的检测是非常关键的。 蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%，才能保证给蓄电 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第21卷 Vol.21 第2期No.22013年1月Jan.2013 －154－