最小拍控制設(shè)計(jì)——計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目: 最小拍控制設(shè)計(jì) 姓名: 學(xué)號(hào): 2014年7月4日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 號(hào)班 級(jí)學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目最小拍控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2014年 6 月 27 日 至 2014 年 7 月 4 日 共 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.05s，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)實(shí)現(xiàn)最小拍無波紋控制。方案設(shè)計(jì)：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計(jì)，控制器采用MCS-51系列單片機(jī)(傳感器、功率接口以及人機(jī)接口等可以暫不涉及)，使用Proteus繪制原理圖；3. 編程實(shí)現(xiàn)

2、單片機(jī)上的控制算法。報(bào)告內(nèi)容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期的選擇、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；2. 元器件選型，電路設(shè)計(jì)，以及繪制的Proteus原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序；4. 設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)；5. 列出所查閱的參考資料。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2014年 6 月 27 日方案設(shè)計(jì)：一、題目分析設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.05s，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)實(shí)現(xiàn)最小拍無波紋控制。 2、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、被控對(duì)象特性圖1 被控對(duì)象整體框圖圖2 被控

3、對(duì)象波特圖圖3 被控對(duì)象波特圖圖4 被控對(duì)象Nyquist圖圖5 被控對(duì)象輸出曲線圖2、采樣周期T的選擇當(dāng)取采樣周期T=0.05s時(shí)，經(jīng)過理論驗(yàn)證，兩拍后系統(tǒng)無波紋，達(dá)到無波紋輸出時(shí)t=0.10s，滿足控制器要求。3、無波紋最小拍控制器的計(jì)算（1）帶零階保持器的廣義被控對(duì)象為通過matlab，z變換程序?yàn)閚p=0 0 10;dp=1 1 0;hs=tf ( np, dp);hz=c2d(hs,0.05)結(jié)果為Transfer function: 0.01229 z + 0.01209-z2 - 1.951 z + 0.9512 Sampling time: 1 即 （1）（2）無波紋最小拍控制

4、器D（z） 根據(jù)G(z)，對(duì)于單位階躍r（t）=1（t），m=1。考慮到廣義對(duì)象，則閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由，得系數(shù)，則系統(tǒng)脈沖傳函為 誤差脈沖傳函為 由得設(shè)計(jì)的控制器為 （2）4、無波紋最小拍控制系統(tǒng)框圖圖6 控制系統(tǒng)整體框圖5、無波紋最小拍控制系統(tǒng)Matlab仿真通過Matlab觀察階躍輸入響應(yīng)曲線如下圖7 控制系統(tǒng)階躍圖由圖7可見，2拍后輸出跟上輸入，可實(shí)現(xiàn)最小拍控制，T=0.05s滿足要求。圖8 控制系統(tǒng)波特圖圖9 控制系統(tǒng)Nyquist圖6、無波紋最小拍控制系統(tǒng)simulink仿真圖10 控制系統(tǒng)仿真圖仿真結(jié)果為：（）系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)圖形如下：圖11 控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)圖（2

5、）系統(tǒng)誤差e（t）曲線如下：圖12 控制系統(tǒng)誤差曲線圖（3）控制器輸出u（k）曲線如下：圖13 控制系統(tǒng)控制器輸出曲線圖通過仿真曲線看出： 控制器D（z）滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)在第二拍之后系統(tǒng)達(dá)到無差，最后控制器輸出恒定（u（k）=0），因此系統(tǒng)輸出不會(huì)產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時(shí)間為。將得系統(tǒng)的差分方程為： （3）三、硬件電路設(shè)計(jì)及元件選型控制器部分由AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器和AT89C51單片機(jī)組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0808，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用DAC0832。圖14 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖 1、AD轉(zhuǎn)換器 由于用proteus進(jìn)行仿真，但在它的庫(kù)里沒ADC0809的仿真模型，而有ADC0808的，故AD轉(zhuǎn)換器選A

6、DC0808。ADC0808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ADC0808的為5V。由于ADC0808的時(shí)鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)，由單片機(jī)P0.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機(jī)的P0.1。單片機(jī)晶振選12MHz，對(duì)其40分頻，產(chǎn)生300khz的時(shí)鐘信號(hào)。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

7、明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)將其接單片機(jī)P0.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉(zhuǎn)換完成。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P1口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī)P1口相連，由于ADC0808的高位是OUT1，故將其輸出與P1口反向依次相連。OE為ADC0808數(shù)據(jù)端輸出控制口，當(dāng)為高電平時(shí)，送出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)給P1口。設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示： 圖15 AD轉(zhuǎn)換器的接口電路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 ，直接與供電電源相連。 因?yàn)檩敵龅腃（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： （

8、4）DAC0832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，故直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。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，故將該腳與單片機(jī)P0.3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時(shí)間。 D10D17：與單片機(jī)P20P27相連。電路圖如下：圖16 DA轉(zhuǎn)換器的接口電路 3、控制器 控制器選擇AT89C51單片機(jī)，根據(jù)ADC0808和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計(jì)單片機(jī)與AD、DA的接口電路如下圖所示： 圖17 控制器電路4、被

9、控對(duì)象 被控對(duì)象如下圖所示：圖18 被控對(duì)象電路5、仿真波形圖19 仿真波形圖四、 程序流程圖及源程序 1、流程圖如下： 圖20 程序流程圖2、定時(shí)器T0的初值計(jì)算 設(shè)：需要裝入T0的初值為X，則有： X化為十六進(jìn)制，即X=0x3cb0T0的初值為 TH0=0x3c; TL0=0xb0;3、源程序及注釋如下：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid init();/定義/sbit START=P00; /AD開始轉(zhuǎn)換控制，上升沿有效sbit CLK=P01; /AD工作脈沖，不高于600KHZsbit E

10、OC=P02; /AD的轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志，轉(zhuǎn)換完成為高電平sbit DA_W=P03; /DA的WR1選通控制，低電平有效sbit OE=P04; /AD的輸出控制，低電平有效uchar addata; /AD采樣值uint count=0; /定時(shí)量char e; /偏差信號(hào)char e1=0; char u; /輸出信號(hào)char u1=0; float temp;/主程序/void main()init(); START=0; /啟動(dòng)信號(hào)為0DA_W=0;P2=0x80; DA_W=1; /控制器初始輸出為零while(1);/延時(shí)程序，延時(shí)i/8毫秒/void delay(uchar i)

11、uchar j;while(i-)for(j=125;j0;j-);/初始化子程序/void init()EA=1; /開總中斷TMOD=0x21; /T0工作方式1,T2工作方式2IP=0x08; /設(shè)置優(yōu)先級(jí)，T1為最高TH0=0x3c; /設(shè)置定時(shí)器T0的初值TL0=0xb0; /產(chǎn)生0.05s的中斷 TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器T0ET0=1;TH1=216; /利用T1中斷產(chǎn)生CLK信號(hào)TL1=216;TR1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器T1ET1=1;START=0; /AD初始化OE=0;DA_W=1; /DA初始化/AD子程序/void AD()START=0;START=1; /啟動(dòng)AD

12、轉(zhuǎn)換START=0;while(EOC=0);/等待轉(zhuǎn)換完畢OE=1;/AD數(shù)據(jù)輸出允許addata=P1;OE=0;/T0中斷程序/void t0(void)interrupt 1 TH0=0x3c;/重裝初值 TL0=0xb0; if (count=1) count=0; AD();/0.05s后，讀取AD采樣值e=addata-128;/采樣實(shí)際偏差值 /差分方程/temp=-0.4959*u1+41.017*e-39.015*e1; if(temp0)/當(dāng)前輸出值大于零 if(temp=127)/判斷是否溢出，溢出取極值 u=127; else u=(char)temp;/控制器輸出值

13、 else /當(dāng)前輸出值小于零 if(temp=-127)/判斷是否溢出，溢出取極值 u=-127; else u=(char)temp;/控制器輸出值 P2=u+128;/DA輸出值u1=u; e1=e; DA_W=0; DA_W=1;/上升沿DA輸出 else count+;/定時(shí)不到1次，即不到0.05s，繼續(xù)定時(shí)/T1中斷程序/void t1(void) interrupt 3 TH1=216; /利用T1中斷產(chǎn)生CLK信號(hào)TL1=216;/重新賦初值CLK=CLK;五、 設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)：經(jīng)過一星期的計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，收獲了很多。通過這幾天的學(xué)習(xí)，確實(shí)掌握了許多知識(shí)，關(guān)于MATLAB，SIMULINK還有PROTEUS。不同于以往的課程設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)控制課設(shè)的包含面相當(dāng)?shù)膹V泛，不僅包括對(duì)上課時(shí)的理論基礎(chǔ)的回顧還有對(duì)數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB的學(xué)習(xí)掌握及單片機(jī)的使用。單片機(jī)這塊還包含程序編程與原理圖設(shè)計(jì)，這使得課程設(shè)計(jì)的包含面非常廣泛，是一次對(duì)前面所學(xué)習(xí)科目的綜合設(shè)計(jì)。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了很多設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)的思想與方法，應(yīng)用了計(jì)算機(jī)控制課程上學(xué)到的知識(shí)，還用到了自動(dòng)控制原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用、模擬電子技術(shù)中的相關(guān)知識(shí)，給我們提供了一個(gè)將所學(xué)的課程