-1-數(shù)字式顯示儀表設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章數(shù)字顯示儀表的工作原理 11.1數(shù)字式顯示儀表的基本構(gòu)成 11.2數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo) 11.3線性化問題 21.4信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)度變換 3第2章數(shù)字顯示儀表的設(shè)計(jì)方案 42.1ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器 42.2LED顯示器 82.3主要集成塊 9第3章數(shù)字顯示儀表的安裝 103.1數(shù)顯部分的安裝 103.2電源部分的安裝 10第4章結(jié)論與體會(huì) 11參考文獻(xiàn) 12第1章數(shù)字顯示儀表的工作原理1.1數(shù)字式顯示儀表的基本構(gòu)成不帶微處理器的儀表，通常用運(yùn)算放大器和中、大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來實(shí)現(xiàn)原理框圖中的有關(guān)功能。不帶微處理器的數(shù)顯儀表一般應(yīng)具備模數(shù)轉(zhuǎn)換，非線性補(bǔ)償及標(biāo)度變換三大部分，這三部分又各有很多種類，三者間相互巧妙的組合，可以組成適應(yīng)于各種不同要求場(chǎng)合的數(shù)字式顯示儀表。盡管數(shù)字儀表的品種繁多，原理各不相同，但其基本構(gòu)成形式可由圖1-2所示的主要環(huán)節(jié)組成。模一數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字儀表的核心，以它為中心，將儀表分為模擬和數(shù)字兩大部分。圖1-1數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成被測(cè)對(duì)象圖1-1數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成被測(cè)對(duì)象傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)譯碼模擬開關(guān)時(shí)鐘邏輯控制電路標(biāo)度變換基準(zhǔn)源線性化器數(shù)字顯示打印記錄數(shù)碼輸出報(bào)警系統(tǒng)前置放大儀表的數(shù)字部分一般設(shè)有濾波、前置放大器和模擬開關(guān)等環(huán)節(jié)。來自傳感器或變送器的統(tǒng)一電量信號(hào)一般都比較微弱，并且包含著在傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾成分，因此在其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量前，首先要進(jìn)行濾波與放大。前置放大器就是用來提高儀表的靈敏度、輸入阻抗及信號(hào)的信噪比。儀表的數(shù)字部分一般由計(jì)數(shù)器、譯碼器、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)顯示電路以及邏輯控制電路組成。在數(shù)字儀表中，邏輯控制電路起著指揮整個(gè)儀表各部分協(xié)調(diào)工作的作用。它是數(shù)字儀表中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。另外，高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電源和工作電源也是數(shù)字儀表的重要組成部分。被放大的模擬信號(hào)有模-數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后，經(jīng)譯碼、驅(qū)動(dòng)，送到顯示器件中進(jìn)行數(shù)字顯示。也可以送到報(bào)警系統(tǒng)和打印系統(tǒng)中去，進(jìn)行報(bào)警和記錄打印。1.2數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo)（一）顯示位數(shù)以十進(jìn)制顯示被測(cè)變量值的位數(shù)稱為顯示位數(shù)。能夠顯示“0～9”的數(shù)字位稱為“滿位”；僅顯示1或不顯示的數(shù)字位，稱為“半位”或“位”。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯示數(shù)常為3位，可顯示-1999～1999。高精度的數(shù)字表顯示位數(shù)目前達(dá)到8位。（二）儀表的量程儀表標(biāo)稱范圍的上、下限之差的模，稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為滿度值。（三）精度目前數(shù)字式顯示儀表的精度表示法有三種：滿度的±a%±n字、讀數(shù)的±a%±n字、讀數(shù)的±a%±滿度的b%。（四）分辯力和分辨率數(shù)字儀表的分辯力是指末位數(shù)字改變一個(gè)字所對(duì)應(yīng)的被測(cè)變量的最小變化值，它表示了儀表能夠檢測(cè)到的被測(cè)量最小變化的能力。數(shù)字式顯示儀表在不同量程下的分辯力是不同的，通常在最低量程上具有最高的分辯力，并以此作為該儀表的分辯力指示。分辯率指儀表顯示的最小值與最大數(shù)值之比。（五）輸入阻抗數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，輸入阻抗可達(dá)1012Ω。（六）抗干擾能力數(shù)字式顯示儀表一般用串模干擾抑制比和共模干擾抑制比來表征抗干擾能力大小。串模干擾抑制比（SMR）為：SMR=20lg共模干擾抑制比（CMR）為：CMR=20lgSMR和CMR的單位是分貝，數(shù)值越大，表示數(shù)字儀表的抗干擾能力越強(qiáng)，一般直流電壓型數(shù)顯儀表的串模干擾抑制比為20～60dB，共模干擾抑制比為120～160dB.1.3線性化問題常規(guī)數(shù)字儀表進(jìn)行非線性補(bǔ)償，主要有兩方面的工作：（1）根據(jù)已知的傳感器非線特性求得所需要的線性化器的非線性特性。非線性特性的求取可用數(shù)字解析表達(dá)式，也可用圖解法求得。（2）根據(jù)所求得線性化器的非線性特性，采用非線性補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償，而對(duì)非線性曲線的處理一般都采用折線逼近法。1.4信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化及標(biāo)度變換由檢測(cè)元件或傳感器送來的信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化或標(biāo)度變換是數(shù)字信號(hào)處理的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是數(shù)字顯示儀表設(shè)計(jì)中必須解決的基本問題。一般情況下，由于被測(cè)量量和顯示的過程參數(shù)多種多樣，因而儀表輸入信號(hào)的類型、性質(zhì)千差萬別。即使是同一種參數(shù)或物理量，由于檢測(cè)元件和裝置的不同，輸入信號(hào)的性質(zhì)、電平的高低等也不相同。將不同性質(zhì)的信號(hào)，或者不同電平的信號(hào)統(tǒng)一起來，這就叫輸入信號(hào)的規(guī)格化，或則稱為參數(shù)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于過程參數(shù)測(cè)量用的數(shù)字顯示儀表的輸出，往往要求用被測(cè)變量的形式顯示，圖1-3為一般數(shù)字儀表組成的原理框圖。其刻度方程可以表示為：（1）數(shù)字輸出模擬輸入S2S3數(shù)字輸出模擬輸入S2S3S1模擬部分模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬部分模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字部分圖1-2數(shù)字儀表的標(biāo)度變換圖1-2數(shù)字儀表的標(biāo)度變換式中s數(shù)字顯示儀表的總靈敏度或稱標(biāo)度變換系數(shù)；、、分別為模擬部分、模-數(shù)轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字部分的靈敏度或標(biāo)度變換系數(shù)。

第2章數(shù)字顯示儀表的設(shè)計(jì)方案2.1ICL7107雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107CPL是3位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器大規(guī)模集成電路，它的作用是把輸入電壓信號(hào)變成數(shù)字輸出，并驅(qū)動(dòng)顯示器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括積分器、模擬開關(guān)、過零比較器電路。數(shù)字部分包括時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、分頻器、控制器、相位驅(qū)動(dòng)器等電路。ICL7107有以下特點(diǎn)：1、內(nèi)部有自動(dòng)穩(wěn)零電路，保證零電壓輸入時(shí)，讀書為零；2、內(nèi)部有極性判別電路，即使輸入電壓和小也能正確區(qū)別極性并顯示出來；3、內(nèi)部有時(shí)鐘電路?？梢酝饨覴C器件產(chǎn)生自激振蕩可以由外部時(shí)鐘輸入；4、內(nèi)含供A/D轉(zhuǎn)換必需的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，可不用外接基準(zhǔn)電源；5、輸出為3位七段譯碼信號(hào)，可直接驅(qū)動(dòng)LED；6、與其他CMOS集成電路相同，這些電路具有輸入電阻高等特點(diǎn)。ICL7107模擬部分每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為自校零位、信號(hào)積分、反向積分三個(gè)階段：1、自校零位（A/Z）階段模擬電路部分的模擬開關(guān)A/Z接通，其余開關(guān)全部斷開，電路進(jìn)入自校零狀態(tài)。2、信號(hào)積分（INT）階段模擬開關(guān)INT接通，其余開關(guān)均斷開—負(fù)反饋賄賂斷開、輸入斷短路解除并對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣積分。3、反向積分（DE）階段模擬開關(guān)DE+或DE-接通，與輸入電壓V1反極性的基準(zhǔn)電壓VREF接入積分器，同時(shí)計(jì)數(shù)器從零開始記數(shù)，反向積分階段開始。當(dāng)積分器輸出電壓為零時(shí)，計(jì)數(shù)器停止記數(shù)，鎖存器存儲(chǔ)計(jì)數(shù)器的記數(shù)結(jié)果，經(jīng)譯碼由發(fā)光二極管顯示器顯示輸入電壓V1的數(shù)值，依次轉(zhuǎn)換結(jié)束。反向積分階段一結(jié)束，電路既自動(dòng)轉(zhuǎn)入自校狀態(tài)開始下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。受ICL7107本身特性所決定，基本量程為200MV和2V，每個(gè)測(cè)量周期為4000,是計(jì)數(shù)脈沖的周期。其中，信號(hào)積分時(shí)間,固定不變，為一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。根據(jù)雙積分轉(zhuǎn)換原理求得結(jié)果為：將，代入上式，得：或既N是以為單位的測(cè)量值。滿量程時(shí)，此時(shí)。三位半的最大顯示數(shù)為1999，滿量程時(shí)將顯示過載符號(hào)“1”。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器地優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)積分元件的質(zhì)量要求不高，時(shí)鐘振蕩器可以使用普通的阻容元件代替石英晶體，抗干擾能力強(qiáng)。它作為一種低速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字儀表中廣泛應(yīng)用。ICL7107的邏輯電路:邏輯電路包括八大單元：時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、分頻器、計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、大電流反相驅(qū)動(dòng)器、邏輯控制器、LCD顯示器。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器:由于雙積分式轉(zhuǎn)換精度與時(shí)鐘無關(guān)，所以7106不必采用晶體振蕩器，只要采用阻容多諧振蕩器即可。振蕩器是由芯片內(nèi)的兩個(gè)非門外接、組成的多諧振蕩器。振蕩頻率：為提高抗干擾能力，選、使與電網(wǎng)頻率呈整數(shù)倍關(guān)系。電子計(jì)數(shù)器:包括計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、氣段輸出、驅(qū)動(dòng)。時(shí)序邏輯控制電路:時(shí)序邏輯控制電路接收比較器的過零脈沖和計(jì)數(shù)器的溢出脈沖，經(jīng)處理后輸出四個(gè)指令：一是個(gè)模擬開關(guān)的控制信號(hào)，使模擬開關(guān)按規(guī)定時(shí)序切換；二是閘門信號(hào)，控制計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；三是判斷被測(cè)電壓的極性，輸出“+”、“-”號(hào)控制；四是超量程控制，超量程時(shí)，千位顯示“1”，其余數(shù)碼消隱。（一）ICL7107D的雙積分A/D轉(zhuǎn)換ICL7107D模擬部分每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分為自校零位、信號(hào)積分（采樣）、反相積分（比較）三個(gè)階段。自校零（A/Z）階段模擬電路部分的模擬開關(guān)A/Z接通，其余開關(guān)全部斷開，電路進(jìn)入自交零狀態(tài)。這時(shí)模擬輸出端與公共模擬端COM短路AZ、比較器輸出端、輸入端接通負(fù)反饋回路。電路中的總飄逸電壓對(duì)自校零電容充電，以記憶并抵消漂移電壓對(duì)轉(zhuǎn)換的影響。與此同時(shí)基準(zhǔn)電容被基準(zhǔn)電壓充電至。信號(hào)積分(INT)階段模擬開關(guān)INT接通，其余開關(guān)均斷開—負(fù)反饋回路斷開、輸入端短路解除并對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣積分。輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖器送至積分器，大大提高了轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。本階段的積分時(shí)間=1000，既1000個(gè)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間。比較器輸出電位送到控制邏輯電路，以決定反相積分階段進(jìn)入基準(zhǔn)電壓的極性。反相積分（DE）階段模擬開關(guān)或接通，與輸入電壓反極性的基準(zhǔn)電壓接入積分器，同時(shí)計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)，反相積分階段開始。當(dāng)積分器輸出電壓為零時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，鎖存器存儲(chǔ)并計(jì)算器的結(jié)果，經(jīng)譯碼由發(fā)光二極管顯示器顯示輸入電壓的數(shù)值，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。反相積分階段一結(jié)束，電路既自動(dòng)轉(zhuǎn)入自校狀態(tài)開始了下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。受ICL7107本身特性所決定，基本量程為200MV和2V，每個(gè)測(cè)量周期為40000,是計(jì)數(shù)脈沖的周期。其中，信號(hào)積分時(shí)間=1000，固定不變，為一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。根據(jù)雙積分轉(zhuǎn)換原理求得結(jié)果為:（2）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器地優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)積元件的質(zhì)量要求不高，時(shí)鐘振蕩器可以使用普通的阻容元件代替石英晶體，抗干擾能力強(qiáng)。它作為一種低速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字儀表中廣泛應(yīng)用。（二）ICL7107的邏輯電路由于ICL7107驅(qū)動(dòng)LED顯示器，因此它的數(shù)字電路部分較ICL7106略有差異，因?yàn)轵?qū)動(dòng)LCD不僅要有鎖存器，還要有驅(qū)動(dòng)LCD的公共電極所需要的對(duì)稱方波電源（驅(qū)動(dòng)LED無需這一點(diǎn)源），但驅(qū)動(dòng)LCD幾乎不需要電流，而驅(qū)動(dòng)LED每斷需5~8V電流（吸入），因此兩者輸出部分略有不同。圖2-2是ICL7107的邏輯圖。這些都是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。圖2-1ICL7107的邏輯圖邏輯電路包括八大單元：時(shí)鐘脈沖發(fā)生器；分頻器；計(jì)數(shù)器；鎖存器；譯碼器；大電流反響驅(qū)動(dòng)器；邏輯控制器；LCD顯示器。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器由兩個(gè)反相器f1f2部元件R﹑C組成。若取R=120KΩ，C=100PF，則f0=0Hz，數(shù)脈沖fep=100Hz,fcp=0.1ms,T=4000Tcp顯示器采用七斷顯示方式，其中個(gè)位、十位和百位十字部分分成a、b、c、d、e、f、g、七斷，再加上千位K和符號(hào)位P，不同斷發(fā)光，可以顯示出不同的數(shù)字。對(duì)7107：來說，因?yàn)榘l(fā)光二極管需要極大驅(qū)動(dòng)電流，故驅(qū)動(dòng)電流吸入電流增大至8mA，對(duì)千位數(shù)字，K斷有兩個(gè)顯示斷，所以7107的第19腳吸收電流可達(dá)16mA。（三）時(shí)鐘脈沖發(fā)生器由于雙積分式的轉(zhuǎn)換精度與時(shí)鐘無關(guān)，所以7106不必采用晶體振蕩器，只要采用阻容多諧振蕩器即可。振蕩器是由芯片內(nèi)的兩個(gè)與非門外接R0C0（3）為提高抗干擾能力，選R0C0使f0與電網(wǎng)頻率成整倍數(shù)關(guān)系，一般f0（四）電子計(jì)數(shù)器包括計(jì)數(shù)、鎖存、譯碼、七段輸出、驅(qū)動(dòng)。計(jì)數(shù)器采用“8421”編碼，有個(gè)、十、百三個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，級(jí)聯(lián)使用，每位計(jì)數(shù)器有四個(gè)觸發(fā)器。另有千位計(jì)數(shù)器是“半位”，只能顯示數(shù)字1，所以用一個(gè)觸發(fā)器即可。鎖存器亦采用觸發(fā)器組成，受邏輯電路所存指令控制，所存指令到來，只接受代碼而不輸出。解鎖指令到來才將代碼送譯碼器。譯碼器完全是由門電路達(dá)成的組合邏輯電路，將BCD譯碼成七段碼筆劃。譯碼輸出的筆劃信號(hào)和背電極的相位共同決定，異或門的輸入端是段位信號(hào)和50Hz方波相異或。（五）時(shí)序邏輯控制電路時(shí)序邏輯控制電路接受比較器的過零脈沖和計(jì)數(shù)器的溢出脈沖，經(jīng)處理后輸出四個(gè)指令：一是各模擬開關(guān)的控制信號(hào)，是模擬開關(guān)按規(guī)定時(shí)需切換；二是閘門信號(hào)，控制技術(shù)脈沖的個(gè)數(shù)；三是判斷被測(cè)電壓的極性，輸出“+”、“-”號(hào)控制；四是超量程控制，超量稱時(shí)，千位顯示“1”，其余數(shù)碼消隱。2.2LED顯示器數(shù)碼顯示是用來顯示數(shù)字、文字或符號(hào)的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用與多種數(shù)字設(shè)備中。目前，數(shù)碼顯示器正朝著小型、多位、多彩、平面化的方向發(fā)展。（一）發(fā)光二極管在各種顯示器中，LCD的功耗最低，LED的發(fā)光響應(yīng)時(shí)間最短，壽命最長(zhǎng)。因此，目前的數(shù)字儀表大多采用LED或LCD顯示器，它們都能由集成電路直接驅(qū)動(dòng)。發(fā)光二極管是采用半導(dǎo)體材料制成的，能將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)的結(jié)型電壓發(fā)光器件。它的特點(diǎn)是：①低電壓（1.5~2.2V）,小電流（5~30mA）的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。②發(fā)光響應(yīng)速度快，高頻特性好，能顯示脈沖信息，單色性好，壽命長(zhǎng)。③由于LED工作PN結(jié)正向?qū)顟B(tài)，性能穩(wěn)定，只要加以必要的先留措施，就可以長(zhǎng)期使用。使壽命在10萬小時(shí)以上，甚至可以達(dá)到100萬小時(shí)。④小型、防震、抗沖擊性能好。⑤使用靈活、可根據(jù)需要制成各種數(shù)碼管、符號(hào)管、電平顯示器、矩陣板、固體發(fā)光板等（二）LED顯示器將條狀發(fā)光二極管按照共陽(yáng)極（正極）或共陰極（負(fù)極）的方式連接，并組成“8”字型發(fā)光二極管，另一級(jí)做筆畫電極，就構(gòu)成了LED數(shù)碼顯示器。如圖2-3(a)所示。圖2-2BS342管腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（—）678910afbea圖2-2BS342管腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（—）678910afbead5432154321.dpg++（—）（a）管腳排列（a）管腳排列（b）BS342型（共陽(yáng)極）2.3主要集成塊MC1403是高精度低溫度漂移的基準(zhǔn)電路，作為8-12位（二進(jìn)制）數(shù)模轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓源而設(shè)計(jì)，為避免溫度漂移所造成的7107的誤差，通常采用具有溫度補(bǔ)償?shù)耐饨踊鶞?zhǔn)穩(wěn)壓源，在這里采用MC1403作為基準(zhǔn)穩(wěn)壓源供電，可以獲得精密的電壓基準(zhǔn)。如圖2-4所示。輸出電壓誤差：2.5V±1%輸出電壓溫度系數(shù)：10ppm/（typ）輸出電流：10mA 輸出電壓范圍：4.5-40V封裝：8腳DIL陶封（代碼U）；8腳DIL塑封（代碼DSM）112345678圖2-3MC1403的管腳排列

第3章數(shù)字顯示儀表的安裝數(shù)字顯示電路部分的安裝要在面包板上進(jìn)行，壓力傳感器、電源部分不在面包板上。由于數(shù)顯部分需要±6V的電源，因此，電源要在另外的印刷電路安裝，以給數(shù)顯部分供電。3.1數(shù)顯部分的安裝根據(jù)繪制的接線圖，首先在面包板上把7107和四個(gè)數(shù)碼管的位置確定好，為了便于顯示，一般要把四個(gè)數(shù)碼管放在上方。然后以接線方便為原則，確定7107的位置。同時(shí)要考慮“+電源”、“地”線的接法。其它芯片、電阻、電容電位器等圍繞7107就近安排位置。3.2電源部分的安裝由于數(shù)顯部分要使用±6V的電源，這里采用兩個(gè)三端集成穩(wěn)壓器。其中7806為固定標(biāo)準(zhǔn)正電壓穩(wěn)壓器：7906為固定標(biāo)準(zhǔn)負(fù)電壓穩(wěn)壓器。電源電路的器件包括電源變壓器、整流橋、集成穩(wěn)壓器及電容。圖3-1數(shù)顯壓力表原理圖整個(gè)電路安裝在一塊印刷線路板上，安裝時(shí)要使用電烙鐵。為了使用該電源的安全性、可靠性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮線路布置合理，強(qiáng)電與弱電之間要留有相當(dāng)?shù)木嚯x。同時(shí)注意220V電源線的引入方向、安全，防止短路，輸出±6V電源要有“接線端子”。電源的安裝首先要根據(jù)電原理圖繪制印刷電路板的接線圖，繪制的接線圖需經(jīng)檢查無誤后，才圖3-1數(shù)顯壓力表原理圖

第4章結(jié)論與體會(huì)這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到團(tuán)隊(duì)的力量，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，相互配合，相互學(xué)習(xí)，才能共同將電路板及接線方法做到最好。在團(tuán)體實(shí)驗(yàn)中，個(gè)體的力量固然重要，但更重要的還是集思廣益，群力群策才是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中碰到了很多難點(diǎn)，例如在安裝數(shù)字式壓力數(shù)顯表頭時(shí)，如果稍有馬虎就會(huì)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，所以要細(xì)心謹(jǐn)慎，電橋不平衡會(huì)使顯示不正確。通過解決這些難點(diǎn)，提高了我分析問題，解決問題的能力，以及動(dòng)手能力，同時(shí)使我數(shù)字顯示儀表的原理、器件的識(shí)別、以及繪圖能力又了進(jìn)一步提高，為以后有關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。通過本次課程設(shè)計(jì)，初步了解了從電原理圖到實(shí)際接線所注意的要點(diǎn)，掌握了數(shù)顯儀表原理圖、接線圖的繪制方法，還有原器件的識(shí)別，插接導(dǎo)線的布置。培養(yǎng)了實(shí)際動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。這次課程設(shè)計(jì)既是對(duì)我理論知識(shí)的鞏固，又是對(duì)實(shí)踐認(rèn)識(shí)的培養(yǎng)，我收獲了很多。參考文獻(xiàn)[1]沙占友.數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.[2]井口征士.傳感工程[M].北京：科學(xué)出版社.2005.[3]楊邦文.應(yīng)用電子小制作150例[M].北京：人民郵電出版社.2005.[4]常健生.檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].吉林：吉林工業(yè)大學(xué)出版社.2006.[5]張?zhí)齑?楊慧敏.數(shù)字顯示儀表課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].大慶石油學(xué)院自編教材,2008.無人機(jī)縱向自動(dòng)控制畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。機(jī)上無駕駛艙，但安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇上或母機(jī)遙控站人員通過雷達(dá)等設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測(cè)和數(shù)字傳輸?？稍跓o線電遙控下像普通飛機(jī)一樣起飛或用助推火箭發(fā)射升空，也可由母機(jī)帶到空中投放飛行。回收時(shí)，可用與普通飛機(jī)著陸過程一樣的方式自動(dòng)著陸，也可通過遙控用降落傘或攔網(wǎng)回收。可反覆使用多次。廣泛用于空中偵察、監(jiān)視、通信、反潛、電子干擾等。無人機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的綜合技術(shù)，它對(duì)通信、傳感器、人工智能和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有比較高的要求。如果在惡劣環(huán)境下作戰(zhàn)，它還需要有比較好的隱身能力。無人機(jī)與所需的控制、拖運(yùn)、儲(chǔ)存、發(fā)射、回收、信息接收處理裝置統(tǒng)稱為無人機(jī)系統(tǒng)。無人機(jī)種類很多，不同的無人機(jī)可以完成不同的特殊任務(wù)。軍用無人機(jī)的主要用途包括：戰(zhàn)術(shù)偵察和地域監(jiān)視、目標(biāo)定位和火炮校射、電子偵察和電子干擾、通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)、靶機(jī)和實(shí)施攻擊等。與有人飛機(jī)相比，無人機(jī)具有多種優(yōu)勢(shì)：1、由于機(jī)上沒有駕駛員，因此可省去駕駛艙及有關(guān)的環(huán)控及安全救生設(shè)備，從而降低飛機(jī)的重量和成本。2、無人機(jī)在作戰(zhàn)時(shí)不會(huì)危及飛行員，更適于執(zhí)行危險(xiǎn)性高的任務(wù)。3、由于機(jī)上沒有駕駛員，飛機(jī)可以適應(yīng)更激烈的機(jī)動(dòng)和更加惡劣的飛行環(huán)境，留空時(shí)間也不會(huì)受到人所固有的生理限制。4、在使用維護(hù)方面，無人機(jī)比較簡(jiǎn)單，而且費(fèi)用低，操縱員只需在地面進(jìn)行訓(xùn)練，無需上天飛行。無人機(jī)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有多年，早在70年代西方就產(chǎn)生用無人機(jī)進(jìn)行對(duì)地攻擊和格斗空戰(zhàn)的構(gòu)想，在美國(guó)還進(jìn)行了大量飛行試驗(yàn)，但是由于技術(shù)上的難度，使這些構(gòu)想無法實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)存在的致命弱點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是自主作戰(zhàn)能力差，由于無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要有人參與遙控，其自主作戰(zhàn)能力有限，因而缺乏有人飛機(jī)所具有的靈活性和適應(yīng)能力。二是完成任務(wù)的有效性低，由于控制人員對(duì)無人機(jī)所處環(huán)境的了解必須借助遠(yuǎn)距離通信，而這種遠(yuǎn)距離通信又隨時(shí)會(huì)被壓制而中斷，從而造成了人機(jī)之間無法及時(shí)、準(zhǔn)確交流信息，影響了無人機(jī)完成任務(wù)的有效性。隨著戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息網(wǎng)(如JSTARS)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，人—機(jī)之間的信息交換和無人機(jī)的自主工作能力有了很大提高，這就保證了無人機(jī)能夠最大限度地發(fā)揮其特有的長(zhǎng)處，從而使無人機(jī)技術(shù)成為對(duì)未來作戰(zhàn)最有影響的技術(shù)之一。從低空，短航時(shí)向高空，長(zhǎng)航時(shí)發(fā)展。老式的無人機(jī)滯空時(shí)間短，飛行高度低，偵察監(jiān)視面積小，不能連續(xù)獲取信息，甚至?xí)斐汕閳?bào)“盲區(qū)”，不適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。為此，美國(guó)陸軍研制了“蒂爾”II超高空，長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)。向隱形無人機(jī)方向發(fā)展。為了對(duì)付日益增強(qiáng)的地面防空火力的威脅，許多先進(jìn)的隱形技術(shù)被應(yīng)用到無人機(jī)的研制上。一是采用復(fù)合材料、雷達(dá)吸波材料和低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)。如美軍“蒂爾”II無人機(jī)除了主梁外，幾乎全部采用了石墨合成材料，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口和衛(wèi)星通信天線作了特殊設(shè)計(jì)，飛行高度在300米以上時(shí)，人恥聽不見；在900米以上時(shí)，肉眼看不見。二是采用限制紅外光反射技術(shù)，在機(jī)身表面涂上能夠吸收紅外光的特制油漆并在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中注入防紅外輻射的化學(xué)制劑。三是減小機(jī)身表面縫隙，減少雷達(dá)反射面。四是采用充電表面涂層還具有變色的特性：從地面向上看，無人機(jī)具有與天空一樣的顏色；從空中往下看，無人機(jī)呈現(xiàn)與大地一樣的顏色。從實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察向空中預(yù)警方向發(fā)展。美軍認(rèn)為，21世紀(jì)的空中偵察系統(tǒng)主要由無人機(jī)組成。美軍計(jì)劃用預(yù)警無人機(jī)取代E－3和E－8有人駕駛預(yù)警機(jī)，使喚其成為21世紀(jì)航空偵察的主力。向空中格斗方向發(fā)展。攻擊無人機(jī)是無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于無人機(jī)能預(yù)先靠前部署，可以在距離所防衛(wèi)目標(biāo)較遠(yuǎn)的距離上摧毀來襲的導(dǎo)彈，從而能夠有效地克服“愛國(guó)者”或C－300等反導(dǎo)導(dǎo)彈反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、攔截距離近、攔截成功后的殘骸對(duì)防衛(wèi)目標(biāo)仍有損害的缺點(diǎn)。如德國(guó)的“達(dá)爾”攻擊型無人機(jī)，能夠有效地對(duì)付多種地空導(dǎo)彈，為己方攻擊機(jī)開辟空中通道。以色列的“哈比”反輻射無人機(jī)，具有自動(dòng)搜索、全天候攻擊和同時(shí)攻擊多個(gè)目標(biāo)的能力。無人機(jī)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型2.1假設(shè)條件要研究飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的姿態(tài)仿真，首先必須建立飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在忽略機(jī)體彈性震動(dòng)和變形的條件下，飛的運(yùn)動(dòng)可看成包含六個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)，其中包含繞三個(gè)軸的三種轉(zhuǎn)動(dòng)(滾動(dòng)、俯仰與偏航)和沿三個(gè)軸的三種線運(yùn)動(dòng)(前進(jìn)、上下與左右)。為了確切地描述飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須選定合適的坐標(biāo)系。本文采用兩種坐標(biāo)系：在確定飛機(jī)的位置時(shí)，采用與地面固連的地面坐標(biāo)系（地面坐標(biāo)系）：在描述飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)時(shí)，采用機(jī)體坐標(biāo)系或氣流坐標(biāo)系(速度坐標(biāo)系)。假設(shè)飛機(jī)是一個(gè)剛體，并且質(zhì)量不變。假設(shè)地球是一個(gè)慣性參考系，忽略地球公轉(zhuǎn)與自傳的影響。假設(shè)地球是一個(gè)平面。假設(shè)重力加速度是一個(gè)常數(shù)。2.2常用坐標(biāo)系地面坐標(biāo)系：要想確定飛機(jī)在地球的位置；機(jī)體坐標(biāo)系：描述飛機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；地面坐標(biāo)系地面坐標(biāo)系的原點(diǎn)A固定在地面的某點(diǎn)，鉛垂軸AYd向上為正，縱軸AY圖2.1地面坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)在飛機(jī)的重心上，縱軸OXt在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)，平行于翼弦，指向機(jī)頭為正；立軸OYt也在飛機(jī)對(duì)稱平面內(nèi)并且垂直于OXt，指向座艙蓋為正；橫軸OZ圖2.2機(jī)體坐標(biāo)系2.3飛機(jī)參數(shù)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)就是完整描述飛機(jī)在空中飛行所需要的變量，一旦各項(xiàng)參數(shù)確定了，無人機(jī)在空中的姿態(tài)也就確定了。這些參數(shù)是飛控系統(tǒng)中的被控量。被控量包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、迎角、側(cè)滑角、航跡傾斜角、航跡偏轉(zhuǎn)角；同時(shí)，可以利用副翼、方向舵、升降舵和油門桿來控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，這些稱為無人機(jī)飛控系統(tǒng)中的控制量2.4十二階非線性微分方程組根據(jù)牛頓第二定律F=ma可以列出無人機(jī)三軸力的動(dòng)力學(xué)方程組：m(dVm(dVm(dV按建立的力矩方程組為:dd通過坐標(biāo)變換可以得出無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組。根據(jù)無人機(jī)三個(gè)姿態(tài)角的關(guān)系：ωxtdγdψd?同理，線位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組也用坐標(biāo)變化的方法，可以得到：十二個(gè)一階非線性微分方程組如下：mmmddddγdψd?dLdHdZ采用微擾動(dòng)法對(duì)這些非線性方程進(jìn)行線性化。假定所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)某一穩(wěn)定飛行狀態(tài)的變化都是很微小的，它們的二次方及乘積可以忽略不記。因此，十二個(gè)一階線性微分方程組可以化為：mmmddddγdψd?dLdHdZ通過以上方程可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于dVzdt、dωxtdt、dωytdt、dω由于本文主要研究無人機(jī)縱向飛行相關(guān)特性，因此只列出了線性化后的縱向運(yùn)動(dòng)方程式的狀態(tài)方程為：vα??h其中，N3v=n3v-n3αn2α，N3a=n3a-n3an2a,N3?=n3?+常規(guī)PID和智能PID控制的思路和方法PID控制自從被提出以后，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)以及容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制中。在計(jì)算機(jī)進(jìn)入到控制領(lǐng)域后，PID控制算法集成到許多硬件產(chǎn)品中。但隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對(duì)相應(yīng)的性能指標(biāo)更加嚴(yán)格，常規(guī)PID控制已經(jīng)無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。近年來，人們把智能控制與常規(guī)PID控制結(jié)合起來，形成了所謂的智能PID控制。3.1常規(guī)PID常規(guī)PID控制有比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）三部分組成，其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：u式中Kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，e(t)為被控量y(t)和設(shè)定值r(t)的偏差,e(t)=r(t)-y(t),令積分增益Ki=1Ti，微分增益K比例作用：決定控制器的穩(wěn)定性、超調(diào)量、響應(yīng)速度等動(dòng)態(tài)指標(biāo)。Kp由小到大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快；超調(diào)量由沒有到有，慢慢變大；穩(wěn)定性總體是由強(qiáng)到弱。為了兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)該取合適的比例系數(shù)K積分作用：積分調(diào)節(jié)與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度相關(guān)，加入積分能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，但過大的積分作用會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)。同時(shí)積分的引入會(huì)給系統(tǒng)帶來相角滯后，從而產(chǎn)生超調(diào)，甚至引起積分飽和。微分作用：主要是克服大慣性時(shí)間常數(shù)的影響，引入微分相當(dāng)于系統(tǒng)引入一個(gè)動(dòng)態(tài)阻尼，增大Td總之，在PID參數(shù)整定過程中，一般都會(huì)遇到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能之間的矛盾，最后只能在三者中取一個(gè)折中，很難滿足高精度、高性能的要求。3.2PID參數(shù)的整定3.2.1臨界比例度法將調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器處于比例狀態(tài)，將比例度δ由大逐漸變小，直至出現(xiàn)等幅震蕩，此時(shí)比例度稱為臨界比例度δk，δk相應(yīng)的震蕩周期稱為臨界震蕩周期表1臨界比例度法PID參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)比例度δ積分時(shí)間T微分時(shí)間TP2PI2.2δ0.85TPID1.70.5T0.125T3.2.2衰減曲線法將閉環(huán)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器置于純比例作用，從大到小逐漸調(diào)節(jié)比例度，加擾動(dòng)做調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)直至出現(xiàn)4：1的衰減震蕩，此時(shí)的比例度記為δs震蕩周期記為Ts其中Ts為Y圖3.1衰減曲線法參數(shù)整定表2衰減曲線法PID參數(shù)整定參數(shù)調(diào)節(jié)比例度δ積分時(shí)間T微分時(shí)間TPδPI1.2δ0.5TPID0.8δ0.3T0.1T3.3非線性智能PID的設(shè)計(jì)思想為了或者滿意的系統(tǒng)性能，在控制中應(yīng)采取靈活有效的控制方式，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)不確定因素的適應(yīng)性，各種新型PID控制算法層出不窮。智能控制是自動(dòng)控制和人工智能的結(jié)合物。它包括基于知識(shí)推理的專家控制、基于規(guī)則的自學(xué)控制、基于聯(lián)結(jié)機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于模糊邏輯的只能控制和仿生智能控制等等。為了便于分析，以階躍響應(yīng)曲線為例說明如何根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)特征信息，適時(shí)改變PID的參數(shù)，以獲得最佳的控制效果。圖3.2系統(tǒng)階躍響應(yīng)（1）AB階段這是系統(tǒng)由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)再向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，此時(shí)，采取變?cè)鲆婵刂?，?dāng)系統(tǒng)輸出與希望值相差較大的時(shí)候，比例作用可以適當(dāng)增強(qiáng)，而當(dāng)系統(tǒng)輸出上升接近希望值時(shí)，比例控制作用要降低，同時(shí)可適當(dāng)引入微分控制，既有利于減小超調(diào)而又不至于影響上升時(shí)間。(2)BC階段在這一段中，e<0，e<0，即誤差|e|向增大的方向變化，說明此時(shí)的系統(tǒng)輸出正背離希望值。此時(shí)的控制量應(yīng)致力于壓低超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小。故應(yīng)始終加強(qiáng)積分作用，而適當(dāng)引入微分作用，比例作用始終起作用。(3)CD階段在這一段中，e<0,e>0,即誤差|e|向減小的方向變化，說明此時(shí)的系統(tǒng)輸出正趨于希望值。如果再加強(qiáng)積分作用，勢(shì)必造成控制作用過強(qiáng)，而出現(xiàn)回調(diào)，故應(yīng)適當(dāng)引入積分和微分作用。DE階段在這一段中，e>0，e>0，即誤差|e|向增大的方向變化，說明此時(shí)的系統(tǒng)輸出背離希望值。此時(shí)應(yīng)始終加強(qiáng)積分作用，而適當(dāng)引入微分作用。3.4無人機(jī)智能PID控制算法為滿足本系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，必須兼顧動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定性：響應(yīng)速度快(協(xié)調(diào)時(shí)間短)、穩(wěn)態(tài)精度高(可以飽精度跟蹤一定的信號(hào)、無穩(wěn)態(tài)誤差)、動(dòng)態(tài)性能好(階躍響應(yīng)超調(diào)小、振蕩次數(shù)少)。因此宏觀上根據(jù)系統(tǒng)誤差分為大誤差區(qū)和小誤差區(qū)。大誤差區(qū)的目標(biāo)是保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，提供足夠的控制量，使系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入小誤差區(qū)；小誤差區(qū)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是追求系統(tǒng)的精度，使得系統(tǒng)在進(jìn)入小誤差區(qū)后不會(huì)再退出到大誤差區(qū)。（1）大誤差區(qū)的設(shè)計(jì)：該區(qū)的任務(wù)是提供足夠大的控制量，保證系統(tǒng)能快速進(jìn)入小誤差區(qū)，為此采用一種柔化的Bang-Bang控制。常規(guī)Bang-Bang控制的引入對(duì)系統(tǒng)的快速性有明顯改善，但只有單一的控制量，有時(shí)要保證系統(tǒng)能跟蹤較高的速度信號(hào)，Bang-Bang控制取的比較大，這樣使得系統(tǒng)在跟蹤階躍時(shí)容易產(chǎn)生超調(diào)，而且該控制量與小誤差區(qū)界面控制量不連續(xù)，易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。選用的“柔化的Bang--Bang控制”，是比例控制和變形的Bang—Bang控制相結(jié)合的控制律?！叭峄腂ang～Bang”控制量的一部分根據(jù)輸入信號(hào)的變化率△y求取，可保證系統(tǒng)跟蹤速度、加速度信號(hào)的快速性?！叭峄疊ang—Bang控制”與普通的Bang—Bang控制相比，它的控制量隨誤差和輸入信號(hào)變化而變化，在小誤差區(qū)界面的控制量并不大，可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)；同時(shí)若將柔化Bnag—Bang控制量作為小誤差區(qū)積分的初值，可以實(shí)現(xiàn)控制量的無擾切換，消除系統(tǒng)的振蕩。（2）小誤差區(qū)的設(shè)計(jì)：小誤差區(qū)的主要任務(wù)是保證系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)在進(jìn)入小誤差區(qū)后就不允許系統(tǒng)再進(jìn)入大誤差區(qū)。為了提高系統(tǒng)精度，又將本區(qū)分為多個(gè)小區(qū)。小誤差區(qū)的控制律為：U=Kpe+U+Kde具體的智能控制規(guī)則如下：a．智能PID控制根據(jù)據(jù)誤差的絕對(duì)值的大小，判別系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整控制策略。b．積分初值ui0普通積分方法其初值為零，這樣必然導(dǎo)致開始時(shí)控制量過小而不能發(fā)揮積分的作用，在一段時(shí)間后控制量又過大．引起積分滯后。而在本系統(tǒng)中這樣做使得積分作用一開始就得以充分發(fā)揮，加快了積分過程，起到了盡快消差的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無擾切換。c．比例、積分、微分系數(shù)的整定規(guī)則，在智能PID控制中，這三個(gè)系數(shù)的變化最能體現(xiàn)智能的概念。為追求高性能，將小誤差區(qū)又分為若干個(gè)誤差帶，分別采用不同的控制策略使系統(tǒng)同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能。由于大誤差區(qū)的控制量比較大，系統(tǒng)剛進(jìn)小誤差區(qū)時(shí)速度比較大，因此系統(tǒng)在進(jìn)小誤差區(qū)后，比例控制取得比較小，以減小控制量，避免產(chǎn)生大的超調(diào)；之后隨著誤差的減小，比例控制減弱，不利于系統(tǒng)跟蹤高速度、高加速度的信號(hào)，因此要適當(dāng)?shù)募哟蟊壤南禂?shù)，加強(qiáng)比例控制的作用：對(duì)積分控制，系統(tǒng)進(jìn)入小誤差區(qū)后，必須引入積分以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。同樣的系統(tǒng)剛進(jìn)小誤差區(qū)時(shí)，積分也取得比較小，以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，隨著誤差的減小，加強(qiáng)積分作用以保證系統(tǒng)的跟蹤精度。比例、積分、微分系數(shù)按照某種事先確定的規(guī)則變化，只需調(diào)整三個(gè)系數(shù)的初值和變化規(guī)則，就能比較容易的找到一組適合本系統(tǒng)的系數(shù)。通過實(shí)際的調(diào)試表明該方法能在很大程度上縮短調(diào)試時(shí)間，取得滿意的效果。縱向控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)4．1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析從硬件來看，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)有飛控計(jì)算機(jī)、測(cè)定裝置和私服裝置三部分組成。飛控計(jì)算機(jī)是無人機(jī)飛控系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要功能是根據(jù)輸入的傳感器信息、存儲(chǔ)的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)以及無線電測(cè)控終端發(fā)過來的上行遙控指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷、運(yùn)算和處理之后，輸出指令給私服裝置。測(cè)定裝置主要負(fù)責(zé)測(cè)量無人機(jī)相關(guān)的狀態(tài)信息，一般無人機(jī)的測(cè)量裝置包括三軸轉(zhuǎn)向角速度陀螺、垂直陀螺、磁航向傳感器、氣壓高度和高度差傳感器、真實(shí)空速傳感器、迎角和偏航角傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等等。伺服系統(tǒng)是以舵機(jī)為執(zhí)行元件的隨動(dòng)系統(tǒng)，它是影響飛控系統(tǒng)帶寬的主要環(huán)節(jié)。4.2飛行控制系統(tǒng)的模態(tài)通常，無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)有俯仰、航向和橫滾三個(gè)控制通道，每個(gè)通道由一個(gè)控制面控制，但在橫滾和航向之間常常有交聯(lián)，設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀一般就要考慮各通道的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性。控制增穩(wěn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般都是按照縱向和橫側(cè)向分開進(jìn)行的、因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀也要相應(yīng)地分開，分別設(shè)計(jì)縱向通道和橫側(cè)向自動(dòng)駕駛儀?？v向通道可以穩(wěn)定與控制飛機(jī)的俯仰角、高度、速度等；橫側(cè)向通道可以穩(wěn)定與控制飛機(jī)的航向角、傾斜角、偏航距離等?？刂骑w機(jī)的這些不同的變量，就對(duì)應(yīng)了駕駛儀不同的功能模塊。根據(jù)所控制的狀態(tài)量，可以完成姿態(tài)(俯仰角，滾轉(zhuǎn)角)保持、航向保持、自動(dòng)改平、低高度拉起和高度保持等功能。4.3縱向控制律的設(shè)計(jì)方案4.3.1俯仰姿態(tài)角的控制整個(gè)俯仰角控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。從圖中我們可以看到，整個(gè)控制系統(tǒng)是由外回路(俯仰角反饋回路)和內(nèi)回路(俯仰角速率反饋回路)構(gòu)成的。其中，內(nèi)回路中的俯仰角速率信號(hào)由俯仰角速率陀螺提供;外回路中的俯仰角信號(hào)由垂直陀螺提供。內(nèi)回路中俯仰角速率反饋的引入相當(dāng)于改變了無人機(jī)的縱向阻尼導(dǎo)數(shù)，增加了它的縱向阻尼，從而使其短周期模態(tài)的阻尼特性得到了改善:外回路則構(gòu)成了俯仰角穩(wěn)定回路，可以改善無人機(jī)長(zhǎng)周期模態(tài)的阻尼特性。通常，還需要加入俯仰速率限幅以限制過載;在俯仰角指令入口處，要加上俯仰角限幅;如引入俯仰角加速度的話，還可以達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的?？刂破鞲┭隹刂破鳠o人機(jī)舵機(jī)指令+ 升降舵指令無人機(jī)舵機(jī) 俯仰角素的反饋高通濾波器俯仰角素的反饋高通濾波器俯仰角反饋俯仰角反饋圖4.1俯仰角姿態(tài)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖圖中，在阻尼回路中還包括了一個(gè)洗出網(wǎng)絡(luò)，如果沒有這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)操縱飛機(jī)做穩(wěn)態(tài)拉起的機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，阻尼器輸出的穩(wěn)態(tài)w2這樣，整個(gè)無人機(jī)俯仰角控制系統(tǒng)控制律的結(jié)構(gòu)就如圖所示。圖中，??c為給定的指令信號(hào)，??為垂直陀螺測(cè)得的俯仰角信號(hào)，?ω2為俯仰角速度陀螺測(cè)得的俯仰角速度信號(hào)。綜上，其控制律可以表示成u= + 縱向控制模型舵機(jī)K2? Δ?縱向控制模型舵機(jī)KΔ?c - Δδ2 ΔKK圖4.2俯仰角控制律結(jié)構(gòu)圖在實(shí)際工程中，微分環(huán)節(jié)通常用一個(gè)高通濾波器τsτs+1來實(shí)現(xiàn)，我們通過選擇適當(dāng)?shù)摩又?，就可以獲得相應(yīng)的相位超前信號(hào)。從頻率特性來看，高通網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)阻低頻通高頻的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)它也是一個(gè)能提供相位超前的網(wǎng)絡(luò)，因此，我們就可以把高通濾波器看成是一個(gè)微分網(wǎng)絡(luò)。其中1/τ的值越大，相位超前也就越大，我們所獲得的信號(hào)也就越近似于微分信號(hào)。我們?cè)诤竺娴臒o人機(jī)縱1句與橫側(cè)向飛行控制律的仿真中都取τ同時(shí)，積分環(huán)節(jié)也可以根據(jù)定義xdt=xi?t在軟件中計(jì)算，其中因此，當(dāng)采用常規(guī)PID控制時(shí)要注意采取必要的防止積分飽和的措施。而若采用智能PID控制就可以避免積分飽和的發(fā)生。由于我們?cè)谝婚_始的時(shí)候并不接入積分環(huán)節(jié)，只有當(dāng)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入小誤差區(qū)時(shí)才接入，使積分信號(hào)專門用來消除靜差，因而不至于在整個(gè)過程中由于積分信號(hào)過大而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到飽和，從而大大保證整個(gè)飛控系統(tǒng)的性能。無人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)都是通過升降舵來自動(dòng)控制的，所以可以把該運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制看成是一個(gè)單通道，這樣便于用經(jīng)典控制理論來研究。對(duì)于無人機(jī)的俯仰角控制，該控制律參數(shù)由兩部分組成：阻尼回路（內(nèi)回路）反饋增益K2ω2，接著，舉例說明無人機(jī)俯仰角控制器參數(shù)的選取過程。若無人機(jī)在空中一點(diǎn)A（H=17194m，V=0.719Ma），已知無人機(jī)在A點(diǎn)的狀態(tài)方程和輸出方程可以表示為：其中式中：X=[βω因此，Y=[???ω2]T??(s)?δ(s)=-5.2096s+0.3678從式中可以看出：系統(tǒng)的特征方程中包含有一個(gè)正根?？梢?，為了增加該無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，無人機(jī)被設(shè)計(jì)為靜不穩(wěn)定的，因此必須加入飛控系統(tǒng)才能保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。另外，無人機(jī)的自然頻率為2.54，阻尼比僅為0.14，可見，飛機(jī)自身的阻尼是很弱。從這一方面就可以看出，針對(duì)高空弱阻尼無人機(jī)而言，加入角速度反饋是必須的。KpKp-5.21s3-1.83s2-4.12s-0.18s-5.21-10++++Ki -K2∞4s4s+1SKd1K4sSKd1圖4.3俯仰角PID控制圖圖中，-10s+10表示升降舵回路傳遞參數(shù)，4s4s+1表示升降舵通道的洗出網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)上圖，可以用MATLAB里的rlocus函數(shù)根據(jù)阻尼回路的開環(huán)傳遞函數(shù)畫出根軌跡圖，其中根軌跡增益圖4.4俯仰角速度回路根軌跡圖有圖可知，一開始隨著K2ω2的增大，阻尼回路中的一對(duì)共軛復(fù)根的振蕩阻尼得到了明顯改善，當(dāng)K2ω2增大到0.6時(shí)，振蕩根的阻尼比達(dá)到最大值0.812.此后隨著K2ω接著討論無人機(jī)外回路中PID控制器參數(shù)的選取。一般地，為了獲得滿意的過度過程，通常要求系統(tǒng)具有45°到70°的相角裕度。查看相關(guān)資料規(guī)定，要保證飛控系統(tǒng)的幅值裕度不能小于6dB，相角裕度至少為45°。因此，這里采用基于相角裕度的設(shè)定法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。先設(shè)定期望的相角裕度?m=60°,Kp=cos?m|GjTi=α下面通過MATLAB仿真，看能否滿足有足夠的相角裕度和幅值裕度。通過MATLAB里的margin函數(shù)，可以得到其Bode圖如下：圖4.6基于PID的俯仰角控制系統(tǒng)Bode圖有圖可知，在該參數(shù)下，相角裕度為69.5度，幅值裕度為12.7dB>6dB，滿足要求。表3智能PID俯仰角控制規(guī)則表誤差比例幾分微分＞0.5Kp加柔化Bang-Bang000.4Kp/0.8Ki/0.7Kd0.3Kp/0.8Ki/0.70.95*Kd0.2Kp/0.8KI/0.70.9520.1Kp/0.8Ki/0.70.953＜Kp/0.8Ki/0.70.954上表中，智能PID控制器參數(shù)的初值就是前面根據(jù)頻域分析法得到的PID參數(shù)，其中Ki=Kp4.3.2俯仰角控制律的仿真在木文中，所有關(guān)于飛行控制律的仿真均在MATLAB平臺(tái)下完成。下圖即為無人機(jī)基于PID控制的俯仰角控制系統(tǒng)的Simulink仿真框圖。值得注意的是，圖中的PID模塊并非MATLAB提供的原始模塊，我們已經(jīng)把該原始模塊所封裝的子系統(tǒng)作了一些變動(dòng):當(dāng)采用常規(guī)PID控制策略進(jìn)行仿真時(shí)，圖中PID模塊所封裝的子系統(tǒng)即為經(jīng)典的PID模塊，為了使仿真更接近工程實(shí)際，我們以一個(gè)超前網(wǎng)絡(luò)模塊s/(O.ls+l)來代替原有的純微分模塊;當(dāng)采用智能PID控制策略進(jìn)行仿真時(shí)，該P(yáng)ID所封裝的子系統(tǒng)即為一個(gè)MATLABFunction模塊，具體的智能PID控制算法由我們所編寫的M文件來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)無人機(jī)在不同空域中的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)，我們分別編寫了智能PID控制算法的M文件，限于篇幅，這些源程序就不在本文中給出了。-10s+10X=Ax+BuY=Cx+Du-10X=Ax+BuY=Cx+DuPIDPID 俯仰角-k-k4s4s+14s 俯仰角速率圖4.7俯仰角控制原理結(jié)構(gòu)圖在整個(gè)俯仰角控制律仿真過程中，升降舵回路傳遞函數(shù)用慣性環(huán)節(jié)-10s+10表示，升降舵通道的洗出網(wǎng)絡(luò)用高通濾波器4s4s+1表示，升降舵面限幅為±將前面所設(shè)計(jì)的基于常規(guī)PID的俯仰角控制系統(tǒng)(高高空E點(diǎn))進(jìn)行時(shí)域仿真，其階躍響應(yīng)曲線如圖11所示。從圖中可知，其超調(diào)量σ%=15%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts下面，我們?cè)诟吒呖誆基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)附近取一點(diǎn)F(H=17505m,V=0.801Ma)，將原先在A點(diǎn)所設(shè)計(jì)的常規(guī)PID控制器用于F點(diǎn)，以考察我們所設(shè)計(jì)控制器的魯棒性。己知無人機(jī)F點(diǎn)處的縱向線性化參數(shù)如下所示:圖4.8常規(guī)PID俯仰角階躍響應(yīng)（E點(diǎn)）圖4.9常規(guī)PID俯仰角階躍響應(yīng)（F點(diǎn)）以上兩圖，我們可以看到，當(dāng)常規(guī)PID作用于F點(diǎn)時(shí)，雖然超調(diào)量比在E點(diǎn)時(shí)要稍微小了一些，但調(diào)節(jié)過程卻明顯變慢。可見，常規(guī)PID雖然具有一定的魯棒性，但是當(dāng)對(duì)象模型發(fā)生一定變化的時(shí)候，其控制性能還是會(huì)受到較大程度的影響，并且難以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。因此，如果我們要想在F點(diǎn)也取得較好的控制性能的話，必須考慮在該點(diǎn)重新設(shè)計(jì)PID控制器，這樣無疑會(huì)增加我們很多工作量。我們來看一下智能PID控制的效果。首先針對(duì)E點(diǎn)采用表中的控制規(guī)則設(shè)計(jì)了一個(gè)智能PID控制器并進(jìn)行仿真，然后，再將所設(shè)計(jì)好的智能PID控制器用于F點(diǎn)，得到的俯仰角階躍響應(yīng)曲線分別下圖所示。圖4.10智能PID俯仰角階躍響應(yīng)（E點(diǎn)）圖4.11智能PID俯仰角階躍響應(yīng)（F點(diǎn)）通過比較可知，常規(guī)PID有一定的魯棒性，當(dāng)當(dāng)對(duì)象模型發(fā)生變化時(shí)，其控制性還是會(huì)受到較大程度的影響，并且很難兼顧穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。因此，智能PID的優(yōu)越之處很明顯，不但有力地抑制了超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間也縮短了。4.4高度保持控制律的研究與仿真高度控制屬于飛機(jī)的重心控制，在飛機(jī)的編隊(duì)飛行、執(zhí)行轟炸任務(wù)、遠(yuǎn)距離巡航及進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)的初始階段等都要保持高度的穩(wěn)定。無人機(jī)的高度保持與控制是不能僅靠其俯仰角的穩(wěn)定與控制來完成的。當(dāng)飛機(jī)受到縱向常值干擾力矩時(shí)，硬反饋式角穩(wěn)定系統(tǒng)存在著俯仰角及航跡傾斜角靜差，角穩(wěn)定系統(tǒng)雖能保持飛行器在垂風(fēng)氣流作用下的俯仰角穩(wěn)定，但幾秒鐘后飛行速度向量將偏離原方向，產(chǎn)生高度漂移。另外，在俯仰角穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過程中，如果航跡傾斜角變化量平均值不為零，也會(huì)引起飛行高度的改變。所以高度保持系統(tǒng)需要有測(cè)量相對(duì)于給定高度偏差的測(cè)量裝置—高度差傳感器，如氣壓高度表、無線電高度表和大氣數(shù)據(jù)傳感器等。將高度偏差信號(hào)輸入俯仰角控制系統(tǒng)，控制飛機(jī)的姿態(tài)，改變飛機(jī)航跡傾斜角，控制飛機(jī)的升降，直至至高度差為零，使飛機(jī)回到預(yù)定高度。無人機(jī)俯仰內(nèi)回路控制器無人機(jī)俯仰內(nèi)回路控制器高度微分反饋高度微分反饋高度反饋 高度傳感器信號(hào)高度反饋圖4.12高度控制系統(tǒng)原理圖無人機(jī)縱向模型舵機(jī)K2H無人機(jī)縱向模型舵機(jī)KK2?KK2ωKK2HSKS圖4.13高度系統(tǒng)控制律對(duì)于高度控制回路而言，高度偏差信號(hào)和高度變化率的反饋，可以滿足在一個(gè)飛行狀態(tài)高度階躍響應(yīng)的要求，然而考慮到無人機(jī)在整個(gè)包線范圍內(nèi)不同的平衡狀態(tài)變化，我們還需要加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，以保證無人機(jī)的無靜差飛行。這樣，無人機(jī)高度控制系統(tǒng)的控制律就可以表示成:u=K2?(??c-??當(dāng)采用常規(guī)PID控制時(shí),K2這里，我們還要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，在高度控制