微機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

1、目錄1 課題簡介2 總體方案設(shè)計(jì)3 硬件電路設(shè)計(jì)4 控制算法設(shè)計(jì)5 軟件編程設(shè)計(jì)6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析7 小結(jié)最少拍無波紋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 課題簡介由于最少拍無波紋控制系統(tǒng)模擬連續(xù)系統(tǒng)要求的參數(shù)準(zhǔn)確， 但在實(shí)驗(yàn)電路中 的元器件自身參數(shù)的不準(zhǔn)確性， 及受溫度或其它因素的影響， 很難做到參數(shù)的準(zhǔn) 確，特別是一階慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的參數(shù)不易整定， 輸出波形易出現(xiàn)失真， 很 難得到理想的結(jié)果， 多年來基本上是利用傳輸函數(shù)建立仿真模型， 這種仿真模型 構(gòu)建方法相對(duì)簡單， 僅用比例積分、 一階慣性和傳輸函數(shù)數(shù)學(xué)模塊搭建， 可避免 參數(shù)的不準(zhǔn)確性。最少拍無紋波數(shù)字控制器，要求具有以下特點(diǎn)： ()準(zhǔn)確性。 對(duì)特定的

2、參考輸入信號(hào)在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)輸出在采樣點(diǎn)的值準(zhǔn)確跟蹤輸入信號(hào) 即采樣點(diǎn)上的輸出不存在穩(wěn)態(tài)誤差。 ()快速性。在各種使系統(tǒng)在有限拍內(nèi)到 達(dá)穩(wěn)態(tài)的沒計(jì)中系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤輸入量所需的采樣周期數(shù)應(yīng)為最少。 ()穩(wěn)定性。 數(shù)字控制器必須在物理上可實(shí)現(xiàn)且應(yīng)該是穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。 在采樣點(diǎn)上的輸出不 存在穩(wěn)態(tài)誤差，但在采樣點(diǎn)間的輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)為有波紋最少拍控制系 統(tǒng)。若在采樣點(diǎn)上和采樣點(diǎn)間的輸出均不存在穩(wěn)態(tài)誤差， 則這系統(tǒng)為無波紋最少 拍控制系統(tǒng)。 它們各有自己的優(yōu)點(diǎn)， 也都存在一些不足。 最少拍無紋波數(shù)字控制 系統(tǒng)在采樣點(diǎn)上和采樣點(diǎn)間的輸出均不存在穩(wěn)態(tài)誤差， 但是它的響應(yīng)速度相對(duì)較 慢最少拍無紋波控制系

3、統(tǒng)， 其控制算法都是依據(jù)被控對(duì)象的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型 G(z) 來確定的。2 總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：根據(jù)題目要求， 設(shè)計(jì)無波紋最小拍控制器。 采用零階保持器的單位反饋離散系統(tǒng)，被控對(duì)象為 Gc(s)，要求系統(tǒng)在單位速度信號(hào)輸入時(shí)，c s(0.8s 1)實(shí)現(xiàn)無波紋最小拍控制， 用離散設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器用 51單片機(jī)經(jīng) 0809 采集 計(jì)一個(gè)模擬量并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在單片機(jī)內(nèi)的最少拍無波紋控制算法輸出數(shù)字量 再經(jīng)過 0832 轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。最少拍無波紋控制器的設(shè)計(jì)理論：圖 1 數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法是基于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 并在計(jì)算機(jī)上采用數(shù)字模擬 方法來實(shí)現(xiàn)，

4、選用的采樣周期須足夠小， 且采樣周期的變化對(duì)系統(tǒng)影響不大。 如 圖 1 的數(shù)字離散控制系統(tǒng)中， GC(S)為被控對(duì)象，其中 H(S)= (1-e-TS)/S 代表零階保持器， D(Z)代表被設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器，它是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的， D(Z)的輸入輸 出均為離散信號(hào)。上面圖 1 示計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖中： Gc(s) 被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù) D(z) 數(shù)字控制器的 Z 傳遞函數(shù) H(s) 零階保持器的傳遞函數(shù)， T 采樣周期廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)誤差脈沖傳遞函數(shù)為：G(z)=Z H (S)?GC(S)(z)=CR(zz)=1DD(z()zG)G(z()z)e(z)=

5、ER(zz)=1-(z)=1 D(z)G(z)(1)(3)數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)：(4)D(z)=U (z) = 1 (z)E(z) G(z) 1 (z)若已知 Gc(s) ，且可根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求構(gòu)造 (z)，則根據(jù)E(z) G(z) 1 (z)G(z)= Z1 e ?Gc(s) =(1-z-1)Z Gc(s) 和 D(z)=U ( z)1(z)ss得數(shù)字控制器得離散化設(shè)計(jì)步驟：1) 求廣義對(duì)象的 Z 傳遞函數(shù) G(z)；2) 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)和其他約束條件，確定所需的閉環(huán)傳遞函 數(shù) (z)；3) 求數(shù)字控制器的 Z 傳遞函數(shù) D(z)；4) 根據(jù) D(z)求取控制算法的遞推公

6、式，設(shè) D(z)的一般形式1、閉環(huán) Z 傳遞函數(shù) (z)的確定； 由圖 1：誤差 E(z)的 Z 傳遞函數(shù)為：e(z)=ER(zz)=1-(z)=11D(z)G(z)數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)：D(z)=U (z) = 1 (z)E(z) G(z) 1 (z)從上式看出， D(z)的求取主要取決于 (z), 或者 e(z)， (z)的選擇根據(jù)穩(wěn)、準(zhǔn)、 快等指標(biāo)設(shè)計(jì)。下面分析系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) (z)的確定。1、設(shè)計(jì)最少拍無紋波控制器的必要條件 無紋波系統(tǒng)要求系統(tǒng)的輸出信號(hào)在采樣點(diǎn)之間不產(chǎn)生紋波，必須滿足： 對(duì)階躍輸入，當(dāng) t NT 時(shí)，有 y(t)=常數(shù)；對(duì)速度輸入，當(dāng) t NT 時(shí)，有 y(t)=

7、常數(shù)；即 G (s)中至少要有一個(gè)積分環(huán) 節(jié)，對(duì)加速度輸入，當(dāng) t NT 時(shí)，有 y(t)=常數(shù)；G (s)中至少要有兩個(gè)積分環(huán) 節(jié)，這樣，被控對(duì)象 G (s)必須有能力給出與系統(tǒng) r(t)相同且平滑的輸出。因此，設(shè)計(jì) 最少拍無紋波控制器時(shí)，針對(duì)輸入對(duì)象必須有足夠的積分環(huán)節(jié)。2、最少拍無紋波系統(tǒng)確定 (z)的約束條件要使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出無紋波， 就要求穩(wěn)態(tài)時(shí)的控制信號(hào) u(k)為常值 (包括 0)?？?制信號(hào) u(k)的 Z 變換：U(z) u(k)z k u(0) u(1)z 1 . u(l)z l u(l 1)z (l 1) .k0如果系統(tǒng)經(jīng)過 l 個(gè)采樣周期到達(dá)穩(wěn)態(tài)，無紋波要求：u(l)

8、u(l 1) u(l 2) . 常數(shù)(包括 0)設(shè)廣義對(duì)象 G(z)B(z)A(z)由Y(z) G(z)U (z)U(z) YG(zz) G(zz) R( z) z dB(z()z) A(z)R(z)要使 u(k)為常數(shù)， u(k)必須是 z-1 的有限多項(xiàng)式。故閉環(huán)傳遞函數(shù)必須包含 G(z) 的全部零點(diǎn)及滯后環(huán)節(jié)。w令 (z) z dB(z)F2(z) z d (1 biz 1)F2(z) i1w為 G(z)所有零點(diǎn)數(shù)(包括單位圓內(nèi)、單位圓上以及單位圓外的零點(diǎn)) ，b1,b2, ,bw 為其所有零點(diǎn)。F2 (z) f21z222 zf2nz由此可見，有紋波和無紋波設(shè)計(jì)唯一區(qū)別在于：有紋波設(shè)計(jì)

9、時(shí)， (z)包含 G(z)單位圓上和單位圓外的零點(diǎn)； 無波紋設(shè)計(jì)時(shí)， (z)包含 G(z)單位圓內(nèi)、單位圓上、單位圓外的所有零點(diǎn)3、最少拍無紋波控制器確定 (z)的步驟確定 (z)必須滿足下列條件： 被控對(duì)象中含有足夠的積分環(huán)節(jié)，以滿足無紋波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要條件；按(z) z dw(1i1biz 1) F2 ( z) 選擇 (z)按e(z) 1(z)vj1 1 q (1 aiz 1)(1 z 1)q F1(z),q j i1和e(z) 1(z)vj (1 aiz 1)(1 z 1) jF1(z),q j選擇 e(z)； i1F1(z)、 F2(z)階數(shù)的確定 F1(z) 1 f11z 1 f12

10、 zF2 (z) f21z222z1m3 硬件電路設(shè)計(jì)1）、控制電路整體原理圖如下所示2）、各部分元件接口電路（1）AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選 ADC0809。 ADC0809是一種逐次比較式的 8 路模擬輸入， 內(nèi)部 具有鎖存功能，故不需要加地址鎖存器。 ALE引腳為地址鎖存信號(hào)， 高電平有效， 三根地址線固定接地，由于地址信號(hào)已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號(hào)，選擇 IN-0 通道作為輸入。START引腳為 AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，程序控制。 AD 采樣值為系統(tǒng) 的偏差信號(hào)，故選擇 ADC0809的VREF 為 5V。由于 ADC0809的時(shí)鐘所限， AD 轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)

11、，由單片機(jī)引腳產(chǎn)生，將 CLOCK引腳接單片機(jī)的引腳。由單片機(jī)產(chǎn)生 500khz 的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)晶振頻 率選擇為 12MHz。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng) EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正 在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)將其接單片機(jī)引腳由程序讀入，判斷 AD 是否轉(zhuǎn)換完成。 AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由 P0口讀入，故將 AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī) P0 口相連，高低位依次相連。設(shè)計(jì) AD 轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示：AD轉(zhuǎn)換器接口電路（2）DA轉(zhuǎn)換器 DA轉(zhuǎn)換器選擇 DAC0832。DAC0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的 8位 DAC, 可以直接（與 51單片機(jī)相連。參考電壓 VREF =+5

12、V ，直接與供電電源相連。因?yàn)檩敵龅?C（t）可能有負(fù)的情況，故選擇 DAC為雙極性電壓輸出。 DA 輸出 值為：u0u(k)VREF128DAC0832的引腳接法下：CS：片選端，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平。WR2：DAC寄存器寫選通控制端，直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，直接接地。WR1；第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將 輸入數(shù)據(jù)鎖存到 DAC寄存器，將該引腳與單片機(jī)引腳相連， 由程序控制 DA 轉(zhuǎn)換 的時(shí)間。 D10D11：與單片機(jī) P0 口相連。設(shè)計(jì) DA 轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示：DA轉(zhuǎn)換器接口電路3）單片機(jī)最小系統(tǒng)

13、圖如下所示：4. 控制算法設(shè)計(jì)最小無波紋控制器設(shè)計(jì)1）控制對(duì)象的離散化：帶零階保持器的廣義被控對(duì)象為 GTs1 eGc (s)s則 G (s)s1e5(1G( z) 5(1s(0.8 s 1)1 0.8 )( 2 ss1 z 1z ) 1 2(1 z )0.8 )0.8s 1)0.81 z 10.811 e 0.8 z 12.15z 1(1 0.658 z 1)= 1 1(1 z 1)(1 0.287 z 1)(2)無波紋最小拍控制器 D(z)v=1,一個(gè)零點(diǎn) b1=，兩個(gè)極點(diǎn)，單位速度根據(jù) G(z)，對(duì)象有一個(gè)純滯后因子信號(hào)輸入 q=2,所以 v=1， w=1，m=1， q=2，由于 G(z

14、)有一個(gè)不穩(wěn)定的極點(diǎn) z=1， 準(zhǔn)確性條件中包含了穩(wěn)定性條件， 故可降一階設(shè)計(jì)， 則設(shè)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 (z) z 1(1 0.658z 1)( 0 1 z 1) ， 設(shè) 系 統(tǒng) 誤 差 傳 遞 函 數(shù) 為 e(z) (1 z1)2(1 1z1) 由 (1) 1.718( 0 1) ， (1) 2.316 0 3.974 1 及 e(z) 1 (z) ，待定系數(shù)法得 0 1.446 ， 1 0.842 ， 1 0.554 ，則系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 (z) 1.446 z 1(1 0.658z 1)(1 0.582 z 1) ，系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù) 為 e(z) (1 z1)2(1 0.55

15、4z 1)，由D(z)(z) 得設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器為：e G(z)* e (z)D(z)0.673z2 0.585 z 0.1122z2 0.446z 0.5540.673(1 0.287 z 1)(1 0.582 z 1) (1 z 1)(1 0.554z 1 )3)、數(shù)字控制器差分方程將D(z) UE(zz) 得系統(tǒng)的差分方程為：u(k) 0.446 u(k 1) 0.554u (k 2) 0.673e(k) 0.585e(k 1) 0.112e(k 2)5.軟件編程設(shè)計(jì)根據(jù) D(z)的計(jì)算機(jī)控制遞推算式，畫出程序流程圖，最后編寫程序1)最少拍無波紋數(shù)字控制器程序流程圖圖2）程序：ORG 0

16、000HAJMPMAIN1ORG000BHAJMPIT0SORG0013H； INT1中斷服務(wù)程序入口AJMP PINT1MAIN1: MOV SP,#60HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HMOVIE,#82HMOVR7,#00HSETBSETBTR0MOVR1,#70H； 置數(shù)據(jù)區(qū)首地址SETBIT1；INT1 為邊沿觸發(fā)方式SETBEA；開中斷SETBEX1；允許 INT1 中斷LOOP: SJMP LOOPIT0S: INC R7CJNE R7,#0AH,NEXTCLPMOV R7,#00HNEXT: MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0

17、HRETIPINT1：PUSHPSWPUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR,#7FF8HMOVXA,DPTRMOVR1，AINCR1MOVXA,DPTRMOVR1，AINCR1MOVXA,DPTRMOVR1，APOPDPHPOPDPLPOPACCPOPRETIPSWMOVR2,#70HMOVR3,#71HMOVR4,#72HMF3 :MOVA,R2CLRCSUBBA,R3JCMF1MOVA,R2XCHA,R3MOVR2,AMF1：MOVA,R3CLRCSUBBA,R4JCMF2ORG 2100H;中斷服務(wù)程序入口;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；指向 IN0 通道；啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 ；采集第一個(gè)

18、數(shù)；采集第二個(gè)數(shù)；：采集第三個(gè)數(shù)；濾波程序;R2,R3時(shí)，交換 R2， R3;R3R4否MOVA,R4XCHA,R3MOVR4,AMOVA,R3CLRCSUBBA,R2JNCMF2MOVA,R2MOVR3,A;中值在 R3 中CLRCDATACONS0DB;存 放 系 數(shù) a0CONS1DB;存放 系數(shù) a1CONS2DB;存放 系數(shù) a2CONS3DB;存 放系 數(shù) a3CONS4DB;存 放系 數(shù) a4GEC1DB; 存放 給定 值GEC2DB;存放 輸出反饋 值SUB1DB; 存放 偏差 值 e( k)SUB2DB; 存放 偏差值 e( k-1)SUB3DB; 存放 偏差值 e( k-2)MID1DB;存放 系 數(shù)(k)MID2DB; 存放 系數(shù) (k-1)MID3DB;存放 系 數(shù)(k-2)MID4DB; 存放 系 數(shù) a0U(k-1)