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文檔簡介

1、一、 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)1. 依據(jù)動態(tài)指標(biāo)要求,設(shè)計系統(tǒng)參數(shù),并選擇校正方法;2. 得到離散域的校正算法;3. 用單片機實現(xiàn)控制算法及顯示等要求。二、 實驗設(shè)備及軟件環(huán)境1. MATLAB仿真 對系統(tǒng)建模、仿真 得到階躍、脈沖等響應(yīng)圖形 根軌跡繪制2. uVision2編程環(huán)境 啟動uVision2,創(chuàng)建一個項目 創(chuàng)建新的源文件 添加配置啟動代碼 為目標(biāo)設(shè)置工具選項 編譯項目,創(chuàng)建hex文件3. S51ISP軟件 S51系列單片機的在線編程軟件。 安裝軟件后,1) 打開S51ISP下載軟件,右側(cè)方框顯示:初始化并口完成 ;2) 單擊擦除器件,顯示擦除器件完成;3) 單擊打開文件,裝載.hex文件

2、或.bin文件,顯示讀入文件xxxxxxx到緩沖區(qū)1xxxxx字節(jié);4) 單擊(自動)寫器件,顯示寫器件完成。5) 至此,程序正常下載到器件中。三、 數(shù)字控制器設(shè)計與仿真1. 原系統(tǒng)模型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù):2. 根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計PID校正環(huán)節(jié)由于以前做過PID相關(guān)控制環(huán)節(jié),對PID各項意義比較了解,故根據(jù)經(jīng)驗及實際系統(tǒng)調(diào)試得到PID校正器:D(z)3.4-2z-1(一階后差變換法D(s)=1.4+0.032s)對應(yīng)比例系數(shù)Kp=1.4、微分系數(shù)Kd=2、積分系數(shù)為0調(diào)試依據(jù): 比例P項增大使開環(huán)增益提高,調(diào)節(jié)作用變強,上升時間變小,閉環(huán)中產(chǎn)生恒定的穩(wěn)態(tài)誤差,而且P值越大,穩(wěn)態(tài)誤差越大。但是在此系統(tǒng)中

3、P項增大會使系統(tǒng)靜態(tài)誤差減?。丛龃驥1)。 微分項增大使上升時間變大,產(chǎn)生一定延時,但是可以消除振蕩; 積分項增大使上升時間變小,并且消除控制器的穩(wěn)態(tài)誤差,但是會加大系統(tǒng)的振蕩性。系統(tǒng)未加PID校正器時,K12上升時間較小,靜態(tài)精度均滿足要求,但是有一定振蕩,系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)不滿足要求。故不加積分I校正,只采用PD校正,經(jīng)調(diào)試得比例系數(shù)Kp=1.4、微分系數(shù)Kd=2時,控制效果較好。3. 加入PD校正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)模型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù):4. 仿真結(jié)果:未加校正未加采樣階躍響應(yīng) 未加校正加采樣階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts=389ms、超調(diào)=19.76% 調(diào)節(jié)時間ts=624ms、超調(diào)=43.12,對應(yīng)=0.4

4、587、n=25.2220 對應(yīng)= 0.2586 n= 27.8819加PD校正階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts=227ms、超調(diào)=0% 滿足0.9 n20 rad/s對應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts250ms,超調(diào)0.1524%的動態(tài)特性要求。5. 根軌跡驗證:未加校正開環(huán)根軌跡及K=1時系統(tǒng)閉環(huán)極點位置加PD校正后開環(huán)根軌跡及K=1時系統(tǒng)閉環(huán)極點位置可得未加校正時系統(tǒng)根軌跡有處于實軸外部分,且當(dāng)K1時有閉環(huán)極點-23.641.5i,動態(tài)參數(shù)不滿足要求,有較大超調(diào)。PD校正環(huán)節(jié)為在原系統(tǒng)兩極點之間加入一零點-43.7,使得根軌跡均處于實軸上,故無論K取多少系統(tǒng)都沒有超調(diào)。加入PD校正后系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)滿足要求。四、 數(shù)字控

5、制系統(tǒng)組成和工件原理單片機系統(tǒng)硬件框圖如下圖1. CPU 定時/計數(shù)器:1) 做定時器使用時,對振蕩源的12分頻的固定脈沖計數(shù)。2) 與之相關(guān)的特殊功能寄存器包括:計數(shù)寄存器TH和TL、控制寄存器TCON、方式控制寄存器TMOD、等。3) 定時/計數(shù)器工作方式:方式0、方式1、方式2、方式3。4) 定時/計數(shù)器的初始化: 初始化步驟:a) 確定工作方式編成TMOD寄存器;b) 計算計數(shù)初值,并裝載到TH和TL寄存器;c) 定時/計數(shù)器在終端方式工作時,開CPU中斷和源中斷編程IE寄存器;d) 啟動定時/計數(shù)器編程TCON中的TR1或TR0位。5) 計數(shù)初值的計算:a) 計數(shù)功能:X= 2n -

6、計數(shù)值 n:8/13/16 b) 定時功能:X= 2n - t/T t:定時時間(s) T:機器周期12/晶振頻率 中斷入口表:編號中斷源入口地址0外部中斷00003H1定時/計數(shù)器0000BH2外部中斷10013H3定時/計數(shù)器1001BH4串行口中斷0023H5定時/計數(shù)器2002BH1) 中斷響應(yīng)條件:a) 有中斷請求信號b) 系統(tǒng)處于開中斷狀態(tài)2) 中斷響應(yīng)過程:c) 保護斷點:將斷點地址壓入堆棧保存,即當(dāng)前PC值入棧。d) 尋找中斷源:中斷服務(wù)程序硬件入口PC,轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)。e) 中斷處理:執(zhí)行中斷源所要求的程序處理段。f) 中斷返回:執(zhí)行RETI指令,棧頂內(nèi)容PC,程序跳轉(zhuǎn)回斷點處

7、。2. A/D轉(zhuǎn)換 使用ADC0809采集兩路信號,一路為位置信號,采集后送到顯示器顯示;另一路為誤差信號,用于進行控制算法的輸入。 ADC 0809為8路輸入通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,可分時轉(zhuǎn)換8路模擬信號。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。A/D轉(zhuǎn)換器0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC 0809與單片機連接 操作過程 :1) 連線:片選端CS5接20-272) 選中通道及片選和地址所存使能軟件操作:向端口(地址為1B201B27)寫數(shù)據(jù)(虛寫)啟動轉(zhuǎn)換;收到轉(zhuǎn)化結(jié)束信號后讀取數(shù)據(jù)。3. D/A轉(zhuǎn)換 使用DAC 0832完成控制算法計算值的輸出; DAC 0832是8位雙緩沖器結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器,其輸入寄存

8、器和轉(zhuǎn)換寄存器分別分配各自的地址,可分別選通同時輸出多路模擬信號; 也可PWM方法完成D/A輸出。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DAC 0832與單片機連接 操作過程 :1) 連線:片選端CS6接28-2f,輸出端為AOUT;2) 軟件操作:向輸入寄存器端口(地址為1B28)寫數(shù)據(jù);3) 向DAC寄存器(地址為1B29)寫數(shù)據(jù)啟動轉(zhuǎn)換。4. 顯 示 使用由發(fā)光二極管組成的LED顯示器1) 不同的發(fā)光段亮可組成不同的字型(字型表在后)。2) 電流大,耗電量大;電流小,發(fā)光量不夠。一般設(shè)計時,其工作電流一般選為10mA。3) LED數(shù)碼管顯示器一般分為共陽極和共陰極。 使用8279作為顯示器的控制芯片

9、。 特點: 1) 8279是可編程的鍵盤顯示接口芯片;2) 自動完成鍵盤的掃描輸入,自動清除按鍵抖動;3) 自動完成LED掃描顯示。 組成:1) I/O控制和數(shù)據(jù)緩沖器; 2) 控制和定時寄存器及定時控制部分; 3) 掃描計數(shù)器; 4) 回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路; 5) FIFO(先進后出)寄存器和狀態(tài)電路; 6) 顯示器地址寄存器及顯示RAM。 數(shù)碼管原理圖、外形圖及段碼表 數(shù)碼管原理 數(shù)碼管外形字型共陽極段選碼共陰極段選碼字型共陽極段選碼共陰極段選碼0C0H3FH880H7FH1F9H06H990H6FH2A4H5BHA88H77H3B0H4FHB83H7CH499H06HCC6H3

10、9H592H6DHDA1H5EH682H7DHE86H79H7F8H07HF8EH71H段碼表 8279與CPU的連接1) 連線:片選端CS7接30-37; 地址口1B31,數(shù)據(jù)口1B30 連接LED與8279的A0A3和B0B3;2) 軟件:a) 初始化:總清除命令送命令口(); 等待清除結(jié)束; 送鍵盤顯示方式命令; 送時鐘分頻命令b) 顯示數(shù)據(jù):送顯示位置命令 向數(shù)據(jù)口送數(shù)據(jù)。 ;圖10 8279與CPU的連接五、 數(shù)字控制器硬件電路設(shè)計1. A/D外圍硬件電路A/D采樣為對給定電位器和反饋電位器輸出電平之差,由兩電位器輸出范圍均為12V,得兩電位器輸出電平之差范圍為24V,但是考慮到隨動

11、系統(tǒng)中兩電位器輸出電平之差一般不會太大同時出于靈敏度及A/D采樣精度考慮,認(rèn)為兩電位器輸出電平之差范圍為12V。A/D采樣的電平范圍為0-5V,因此有必要增加一電平轉(zhuǎn)換電路,將12V線性轉(zhuǎn)換為0-5V。 A/D采樣電平轉(zhuǎn)換電路:實際電路中A/D通道1用來對給定電位器和反饋電位器輸出電平之差采樣,通道0用來對反饋電位器輸出電平即位置進行采樣。調(diào)試時發(fā)現(xiàn)通道0加入電平轉(zhuǎn)換電路后對主電路干擾很大(靜態(tài)精度很大幅度降低),經(jīng)分析得出是電平轉(zhuǎn)換電路對原電路分流使反饋電位器輸出電平下降,因此對通道0加入輸入阻抗極大的電壓跟隨器:通道0電壓跟隨器2. D/A外圍硬件電路給定電位器和反饋電位器輸出電平之差范圍

12、為24V,經(jīng)過控制器增益后約30V,而D/A輸出電平范圍為0-5V,所以應(yīng)該加入電平轉(zhuǎn)換電路。但是考慮到隨動系統(tǒng)中給定電位器和反饋電位器輸出電平之差一般在一個小范圍內(nèi)變化,所以此系統(tǒng)中D/A不選用電平轉(zhuǎn)換電路。另外即使出現(xiàn)給定電位器和反饋電位器輸出電平之差很大的情況,沒加電平轉(zhuǎn)換電路只是相當(dāng)于加入了限幅環(huán)節(jié),對系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)沒有影響,而對動態(tài)參數(shù)影響不大可以忽略。故本系統(tǒng)不加D/A電平轉(zhuǎn)換電路。六、 軟件設(shè)計及實現(xiàn)D(s)=1.4+0.032s由一階后差變換法得D(z)3.4-2z-11. 編程算法的實現(xiàn): 數(shù)字控制器的形式:寫成如下形式:其對應(yīng)的差分方程為:得2. 編程算法改進:實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)

13、使用控制時,存在兩個問題:一、調(diào)節(jié)時間接近250ms;二、穩(wěn)態(tài)時反饋電位器指針有些微抖動,經(jīng)分析得出原因是穩(wěn)態(tài)時A/D采樣誤差(不是穩(wěn)定值,而是1范圍跳動)使穩(wěn)態(tài)時比例項P幾乎為零而微分項D不為零導(dǎo)致抖動。解決方法:一、分段比例P控制,在偏差大時P取4.5,偏差小時P取1.4。(如此既不會產(chǎn)生超調(diào),又減小調(diào)節(jié)時間,同時滿足靜態(tài)精度1.5要求)二、分段微分D控制,僅在偏差變化較小時加入微分項,穩(wěn)態(tài)時不加入微分環(huán)節(jié),即當(dāng)微分項小于一定值時,將微分項置0。(如此既消除超調(diào),又不怎么影響調(diào)節(jié)時間,同時還消除穩(wěn)態(tài)時的抖動)實驗結(jié)果:兩個問題得到很好解決。3. 系統(tǒng)仿真:數(shù)字控制器設(shè)計完成后,用MATLA

14、B仿真,得到系統(tǒng)的仿真動態(tài)響應(yīng)圖,求出系統(tǒng)指標(biāo)。 調(diào)節(jié)時間ts=227ms、超調(diào)=0% 滿足0.9 n20 rad/s對應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts250ms,超調(diào)0.1524%的動態(tài)特性要求。軟件流程圖:子程序流程圖:七、 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析實際系統(tǒng)調(diào)試電路:1. 靜態(tài): 未加校正環(huán)節(jié)1) 反饋電位器完全跟隨給定電位器;2) 靜態(tài)角度幾乎沒有偏差,靜態(tài)精度1.5度;3) D/A輸出120mv時,電機轉(zhuǎn)動;4) D/A輸出5V時達(dá)到轉(zhuǎn)速26弧度/秒左右。 加入設(shè)計的PD控制器1) 反饋電位器完全跟隨給定電位器;2) 靜態(tài)精度1度;3) D/A輸出120mv時,電機轉(zhuǎn)動;4) D/A輸出5V時達(dá)到轉(zhuǎn)速26

15、弧度/秒左右。2. 動態(tài) 未加校正環(huán)節(jié)算得調(diào)節(jié)時間ts=860ms、超調(diào)=38.33,算得對應(yīng)= 0.2919 n= 17.1267 加入設(shè)計的PD控制器算得調(diào)節(jié)時間ts=200ms、超調(diào)=0,對應(yīng)= 0.2919 n= 17.1267滿足0.9 n20 rad/s對應(yīng)調(diào)節(jié)時間ts250ms,超調(diào)0.1524%的動態(tài)特性要求??傊到y(tǒng)靜態(tài)特性和動態(tài)特性均滿足要求,而且位置顯示正常。八、 參考書籍1. 自動控制原理程鵬2. 數(shù)控小功率隨動系統(tǒng)孫丹3. 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計孫傳友九、 體會建議數(shù)字校正器我們選用PID校正,根據(jù)實測系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果決定不用積分環(huán)節(jié)(系統(tǒng)本身超調(diào)已經(jīng)較嚴(yán)重)。使用傳統(tǒng)的P

16、D校正時發(fā)現(xiàn)了增大比例項P后調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)精度滿足要求(P越大ts越?。?,但是超調(diào)量不滿足要求(P越大即K1越大,K1越大超調(diào)越大穩(wěn)態(tài)精度越高),而減小P后超調(diào)量滿足要求但是調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。為此我們不使用傳統(tǒng)的PID校正,而采用分段PID校正法,即偏差大時P大,偏差小時P小,調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)精度和超調(diào)量均滿足要求。另外,實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時反饋電位器指針有些微抖動,經(jīng)分析得出原因是穩(wěn)態(tài)時A/D采樣誤差(不是穩(wěn)定值,而是1范圍跳動)使穩(wěn)態(tài)時比例項P幾乎為零而微分項D不為零導(dǎo)致抖動。我們同樣通過分段微分D控制,僅在偏差變化較小時加入微分項,穩(wěn)態(tài)時不加入微分環(huán)節(jié),即當(dāng)微分項小

17、于一定值時,將微分項置0。結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)既沒有消除超調(diào),又不怎么影響調(diào)節(jié)時間,同時還消除穩(wěn)態(tài)時的抖動。理論上單片機系統(tǒng)的電源為5V、A/D采樣范圍為05V、D/A輸出5V,實際測量中發(fā)現(xiàn)電源為4.86V,所以在A/D電平轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)該適加調(diào)整以使輸入為0V時,A/D采樣輸出為128;D/A輸出時發(fā)現(xiàn)128對應(yīng)的輸出電壓不并為0V,132對應(yīng)的輸出電壓才為0V,所以在程序中D/A輸出對應(yīng)的0V并不是128,而是132。由于之前做過幾次PID校正,所以對PID較熟悉,因此我們并不是先對系統(tǒng)仿真再設(shè)計控制器,而是直接對系統(tǒng)進行PID調(diào)試,調(diào)試好后,再通過根軌跡驗證等驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)試得到的PID控制器

18、,在根軌跡等仿真中也是很合理的。通過這次課設(shè),我們將之前學(xué)習(xí)到的很多知識應(yīng)用上,同時在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)不少實際問題(穩(wěn)態(tài)抖動、電源實際電壓和理論電壓不一致等等),經(jīng)過分析我們一一找到了解決方法,這使我們實踐動手能力有一個很大的提高。實際實驗中我們并沒有完全按照指導(dǎo)書的內(nèi)容按部就班地做,而是根據(jù)以往實踐加入不少自己的想法,最后發(fā)現(xiàn)較快且較好地完成了這次課程設(shè)計。附:程序/頭文件 #include /89C52寄存器定義頭文件#include /存儲器分配宏定義/全部變量定義#define add_8279 XBYTE0x1b30 /定義8279的數(shù)據(jù)口地址#define command_827

19、9 XBYTE0x1b31 /定義8279的命令口地址#define add_adc0809_in0 XBYTE0x1B20 /address of adc0809 in0#define add_adc0809_in1 XBYTE0x1B21 /address of adc0809 in1#define add_buffer_dac0832 XBYTE0x1B28 /address of buffer of dac0832#define add_data_dac0832 XBYTE0x1B29 /address of inable of dac0832unsigned char adc_rea

20、d_data,adc_read2_data; /一通道adc_read_data unsigned char add_write_data; /da輸出unsigned char i,j;int adc_read3_data,adc_read4_data,adc_read5_data;/平均濾波int sita=0; /位置變量int const_sita=0; /每20個timer1中斷進行一次位置顯示的計數(shù)標(biāo)志int en_1=0,en=0,en_d=0,en_p=0; /PID變量int Kp=9,Kd=8;int pn;int out_d=0,out_p=0;/段碼表 unsigned

21、 char dis_num = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c; /LED顯示用void init_all(void); /初始化函數(shù) void pid(void);void dis_8279(int num2); /8279顯示函數(shù) void timerr1(); /Timer1中斷程度 PWM控制void main(void)/主程序 init_all(); /初始化8279 while(1) /waittimer1 interrupt void init_all(void)/初始化程序 command

22、_8279 = 0xd1; command_8279 = 0x00; command_8279 = 0x2a; EA=1; ET1=1; /timer1開中斷 ES=1; TMOD=0x15; /T1 counter model 1 T0 timer modetl 1 TH1=0xc6;TL1=0x00; /TH1=0xa6;TL1=0x00;time 25ms foc=11.0592MHz here time 16.1ms TR1=1; / 初始化T1, 并啟動T1 start T0 EX0=0;void dis_8279(int num2) unsigned char hun=0,ten=0; command_8279 = 0x82; add_8279=dis_numnum2/100;ten=num2%100;command_8279 = 0x81; add_8279=dis_numten/10;command_8279=0x80;add_8279=dis_numten%10;/show the sita void pid() en=adc_read_data; en_p=(en-128); /the p if(en_p-10) out_p=Kp*en_p/5; else out_p=(Kp

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