計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)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:超前滯后矯正控制器設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號：10 級白動(dòng)化2013年12月2日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 號班 級學(xué)生指導(dǎo)教師題目超前滯后矯正控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2013年11 月25日 至 2013 年12 月2 日 共1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)：(按照所選題目內(nèi)容填寫)13.超前滯后校正設(shè)計(jì)設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s) =100,采用模擬設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，使s(0.1s + 1)(0.01s + 1)校正后的系統(tǒng)滿足：速度誤差系數(shù)不小于 100,相角裕度不小于40度， 截止角頻率不小于 20。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)

2、，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Protel繪制原理圖；3. 編程實(shí)現(xiàn)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Protel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:2013年11月25日1.控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)1.1實(shí)驗(yàn)要求100設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=,采用模擬設(shè)s(0.1s 1)(0.01s 1)

3、計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足：速度誤差系數(shù)不小丁100,相角裕度不小丁 40度，截止角頻率不小丁 20。1.2系統(tǒng)分析(1)使系統(tǒng)滿足速度誤差系數(shù)的要求：-100KV = lim s *G(s) = lim100s 0s 也 0.1s 1 0.01s 1100 用 MATLAB 出 G(s)=的 BoddS 為:s(0.1s 1)(0.01s 1)100-150-90500-50-100Bode DiagramGm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s)-270 -110-135-180-22501031

4、0101102Frequency (rad/s)410由圖可以得到未校正系統(tǒng)的性能參數(shù)為:相角裕度丫0=1.58二 幅值裕度Kg°dB=0.828dB ,剪切頻率為：與c0 =30.1rad /s,截止頻率為og0 =31.6rad /s(3) 未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線Step Response0 02468101214Time (seconds)8642 1 8 6 42 k k k k 1111 oooo eaMpmA可以看出系統(tǒng)廣生哀減震蕩。(4) 性能分析及方法選擇系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不穩(wěn)定。在剪切頻率處對數(shù)幅值 特性以-40dB/dec穿過0dE。如果只加

5、入一個(gè)超前校正網(wǎng)絡(luò)來校正其相角， 超前 量不足以滿足相位裕度的要求，可以先繳入滯后，使中頻段衰減，再用超前校正 發(fā)揮作用，則有可能滿足要求。故使用超前滯后校正。1.3模擬控制器設(shè)計(jì)(1) 確定剪切頻率c七過大會(huì)增加超前校正的負(fù)擔(dān)，過小會(huì)使帶寬過窄，影響響應(yīng)的快速性。首先求出幅值裕度為零時(shí)對應(yīng)的頻率，約為 GOg =30rad /s,令Oc 2g =30rad / s。(2) 確定滯后校正的參數(shù)。2 =1=1 與c =3rad /s, T2=0.33s,并且取得 P =10T2 10二、1 = = = 0.33rad / s, T = 3sTiT2則滯后校正的控制器為Gc1(s)0.33s 13

6、s 1此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線為:10050-50-100-135-180-225-150-9010010310-110Bode Diagram Gm = 16.9 dB (at 26.5 rad/s) , P m = 26.9 deg (at 8.73 rad/s)10 110 2Frequency (rad/s)-27010xlopvesah-24滯后校正后的性能參數(shù)為:相角裕度 =26.9',幅值裕度 Kg°dB=16.9dB ,剪切頻率為：coc0 =8.73rad /s, 截止頻率為cog0 =26.5rad /s系統(tǒng)仍需要進(jìn)行超前校正(3) 確定超前校正的參數(shù)在圖中過(

7、oc , 0dB)作-20dB/dec線，與原先的Bodeffi交，交點(diǎn)的角頻率為:-3= 3rad/s, T3 =0.3s4 = 一 = 一 = 30rad / s ,T4 = 0.03s超前矯正控制器的傳遞函數(shù)為:Gc2(s)=0.3s 10.03s 1(4)超前滯后校正同時(shí)作用時(shí)系統(tǒng)的Bode®:Bode DiagramGm = 13.5 dB (at 62.1 rad/s) , Pm = 48.4 deg (at 24.4 rad/s)100medc esanp-270 -210500-50-100-135-180-225-150-90-1310100101io2Freque

8、ncy (rad/s)10410相角裕度幅值裕度 Kg0dB =13.5dB ,剪切頻率為：oc0 =24.4rad / s, 截止頻率為 由g0 = 62.1rad / s校正后的系統(tǒng)性能已經(jīng)滿足了性能指標(biāo)要求。(5) 畫出校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線1.4Step Response1.210.80.40.20.511.522.53P A 0.6Time (seconds)(6) 設(shè)計(jì)好的控制器傳遞函數(shù)為：Gc(s) =(0.33s 1)(0.3s 1)(3s 1)(0.03s 1)1.4用模擬法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器(1) 模擬控制器離散化采用雙線性變換法。(2) 采樣周期選擇取采樣周期T=0.01s

9、,因?yàn)榭紤]到A/D, D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)間以及單片機(jī)計(jì)算的時(shí) 問，采樣時(shí)間不能選的太小，但是為了保證離散控制器的控制仍能滿足性能指標(biāo) 的要求，采樣時(shí)間不能取得太大。取采樣周期為10ms,給程序運(yùn)行留下了足夠的時(shí)間，而且由后面可見控制效果仍滿足性能指標(biāo)要求，所以取采樣周期為10ms(3) 將模擬控制器離散化2 0.9715z1.882z 0.9116離散化后得脈沖函數(shù)為：Gc(z)=2z -1.711z 0.7119(4) 被控對象離散化2 , 離散化的被控對象為：Gp(z)=0.031287Z0.03984Z瞞07441pz3 -2.273z2 1.606z-0.3329(5)繪制出離散系統(tǒng)的Bo

10、deH100Bode DiagramGm = 9.11 dB (at 47.7 rad/s) , P m = 41.3 deg (at 24.4 rad/s)o)a5HTesanpo81o72-2-oooFrequency (rad/s)相角裕度丫。=41.3。，幅值裕度 KgodB =9.11dB ,剪切頻率為：Oco =24.4rad / s, 截止頻率為Ego = 41.3rad /s離散化的控制器仍舊滿足性能指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)合理。(6)離散系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：(6)數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù):Gc(z)二0.9715z2 -1.882z 0.91162_z -1.711z 0.71191

11、.5控制系統(tǒng)的編排結(jié)構(gòu)(1)編排結(jié)構(gòu)的選擇如果使用直接型編排結(jié)構(gòu)，如果控制器中任一系數(shù)存在誤差，則將使控制器 所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)的變化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。7-21 -1.937z0.9383z-J_21 -1.711z0.7119z在控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用了超前滯后校正， 所以采用申聯(lián)型結(jié)構(gòu)比較簡單，而且 任何一系數(shù)有誤差，不會(huì)使控制器所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因?yàn)镚c(z)有復(fù)數(shù)零點(diǎn)，故可以寫成 Gc(z) = 0.9715*(2)轉(zhuǎn)換為差分方程的形式:0.9715可以通過一個(gè)比例環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，可以不用考慮。只需在設(shè)計(jì)好的控制器 上加個(gè)比例因子即可。u(k) =e(k) -1.937e(k -1

12、) 0.9383e(k -2) 1.711u(k -1)-0.7119u(k - 2)2.硬件電路設(shè)計(jì)2. 1元器件選擇(1) 控制器選擇選擇8051單片機(jī)，外接晶振為2MHz.(2) A/D選擇選擇ADC0809該ADT 8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100Ps,(時(shí)鐘為640KHZ寸),130眺(時(shí)鐘為500KHZ寸)；單個(gè)+5Vft電，模擬輸入電壓范圍為0到5V,不需要零點(diǎn)和滿課度校準(zhǔn)；內(nèi)部沒有時(shí)鐘，所以需要 外接時(shí)鐘，時(shí)鐘從單片機(jī)的ALE3I腳引出。在經(jīng)過兩個(gè)Dtt發(fā)器分頻，從而達(dá)到 500KHZ勺時(shí)鐘信號。麗蟲發(fā)器選擇74LS174 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為130肉

13、，應(yīng)該能滿足設(shè)計(jì)的要求。(3)D/A選擇選擇DAC0832分辨率為8位；可單緩沖，雙緩沖或者直接數(shù)字輸入；只需要在滿量程下調(diào)整線性度；單一電源供電 +5/U+15V;可以滿足設(shè)計(jì)的要求。輸出電壓值為：U out = 戶out2 82.2電路的設(shè)計(jì)(1) A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)將AD專換的ADDA,ADDB,AD岫，選擇IN0鎖存器。EO(gP2.2，轉(zhuǎn)換結(jié)束則輸出1,否則輸出為0;OE® P2.1，選擇是否輸出數(shù)據(jù)。OE=0輸出高阻態(tài)，OE=輸出數(shù)字量;ST®P2.0,轉(zhuǎn)化開始信號。由1變零轉(zhuǎn)換開始；IN0接輸入的模擬數(shù)據(jù)e(t);IN1-IN7懸:空；Clock接分頻器SU

14、N7474輸出端，輸入500HZ寸鐘信號;Vref(+)接+5V,Vreft(-) 接地，VC皴電源,GNEg地；ALEM址所存，上跳沿所存，可以接在 P2.O口D0-D7®單片機(jī)的 P1.0-P1.7;(2) D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)D0-D7接單片機(jī)的P0.0-P0.7 ,數(shù)字量輸入；將CS WR1,WR2,XFER腳接地；ILE引腳接 +5V,Vref 選擇 +5V,GN0g地；此時(shí)DAC083處于直通工作方式，一旦有數(shù)字量輸入，就直接進(jìn)入DACJ存器,進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。(3) 8051單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)：P0.0-P0.7 接D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字輸入端；P1.0-P1.7 接A/D轉(zhuǎn)化數(shù)字輸

15、出端；P2.0 接A/D轉(zhuǎn)換ST®P2.1接A/D轉(zhuǎn)換。酬；P2.2接A/D轉(zhuǎn)換EO硫；外接2MH灼時(shí)鐘電路輸入到時(shí)鐘端XTAL1,XTAL2;外接復(fù)位電路到RET2.2硬件電路圖VCCVCCr-GNDVCCC2C3GNDGNDVCC26U1IN-0msb2-127IN-12-22-328IN-22-42-512-6IN-32-72IN-4lsb2-83EOCIN-54IN-6ADD-AADD-B5ADD-CIN-7ALE21 A1<intput 725242316ref(-)ENABLE22 ST14 A717 A820 A2 /19 A3 *18 A4 jEOC12ref(

16、+)ADC009Y12MHzR1C19OESTARTCLOCK 10 CLOCGNDVCC3.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法3.1流程圖2 1U4A4GNDCA139A11,P10A22P11A33P12A44,P13、A55P0A66P15A7 7,P0A8 8,P17U213153119184-11121918TINT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051Iout1Iout2RfbVrefILEWR2WR16 D25 D3 ；4 D4-16 D515D6 ；14D77 13D87 D1msbDIDI1DI2DI3DI4DI5DI61CSXfePGD PG P(2 PCB Ne

17、tLabel PC5 P(6 P(739 D1 /38 D2 ,U3DAC03237 D336D435 D5 i34 D6 33 D7 y /GNDP2)P2IP2PZP21P：5P：6P721 STGND22 OE 23 Eoc245F2728RXD.TXD-ALE/P-PSEN10有30 ALE29VCCGNDALE346TT1314D1Q1-D2Q2D3Q3D4Q4-D5Q5D6Q6|CLK MRU?74.S174257To7215CLOCK開始初始化 開定時(shí)器Jif計(jì)時(shí)時(shí)間到10msV Y啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換«Nv轉(zhuǎn)換結(jié)束Y*讀AD計(jì)算u(k)D/A轉(zhuǎn)換等待下次中斷(2)程序編寫#

18、include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ST=P2A0;sbit OE=P2A1；sbit EOC=P2A2; /A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位void main()(float uk_1=0.0;float uk=0.0;float ek=0.0;float ek_1=0.0;/ 初始化 float ek_2; float uk_2; ST=0;OE=0; /輸出高阻態(tài)/*定時(shí)器中斷初始化*/TMOD|=0XF9;/設(shè)置T1工作在方式1, 16位定時(shí)器方式TH1=0x7E;TL1=0x

19、E0; / 裝初值，定時(shí) 10ms EA=1;/開總中斷 ET1=1;/ 開T1 中斷 TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器1 while(1) if(EOC=1) uk_2=uk_1; ek_2=ek_2; uk_1=uk; ek_1=ek;OE=1;/輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) ek=P1;/給單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)OE=0 ; /輸出高阻態(tài) uk=ek-1.937*ek_1+0.9383*ek_2+1.711*uk_1-0.7119*uk_2;/ 差分方程P0=(uchar)uk;/數(shù)據(jù)輸入到D/A轉(zhuǎn)換器while (EOC=0) ;/ 等待 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束 /*定時(shí)器中斷處理 */void time(void) in

20、terrupt 1 using 1 TH1=0XF9;TL1=0x7E;/重裝初值ST=1;ST=0;/開始下一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)4. 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì) 4.1設(shè)計(jì)過程總結(jié)：(1) 首先用自動(dòng)控制原理的知識，設(shè)計(jì)出滿足要求的超前滯后校正控制器。(2) 對模擬控制器進(jìn)行雙線線性變換離散化。(3) 觀察bode圖，如果不符合性能指標(biāo)，則調(diào)節(jié)采樣周期或者直接重新設(shè)計(jì)模 擬控制器，直到性能指標(biāo)滿足要求。(4) 選擇合適的編排結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)好的控制器分為幾個(gè)申聯(lián)或者并聯(lián)的控制 器，并將每個(gè)控制器轉(zhuǎn)換為差分方程形式，便于編程序。(5) 選擇單片機(jī)及A/D,D/A轉(zhuǎn)換芯片，用protel畫出實(shí)現(xiàn)控制器任務(wù)的最小系 統(tǒng)硬

21、件圖。(6) 繪制控制算法流程圖(7) 編程實(shí)現(xiàn)控制器的控制算法4.2心得體會(huì)在這次的設(shè)計(jì)過程中，我將整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)過程都經(jīng)歷了一遍，包括應(yīng)用自動(dòng)控制原理的知識來設(shè)計(jì)超前滯后校正，并用MATLAB制Bode®應(yīng)用用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的知識對設(shè)計(jì)好的模擬控制系統(tǒng)雙線性變換，編程數(shù)字控制器，用 protel軟件繪制硬件電路圖，用visio繪制流程圖，用Keil軟件編寫實(shí)現(xiàn)控制算 法的程序。對大學(xué)期間所學(xué)的內(nèi)容鞏固了一邊，綜合應(yīng)用了專業(yè)課所學(xué)的知識， 而且熟悉了專業(yè)領(lǐng)域常用軟件的使用， 收獲很多，這次課設(shè)經(jīng)驗(yàn)為我們以后的學(xué) 習(xí)工作打下了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中的不足之處是沒有實(shí)際的硬件電路來驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的控制器的正確 性，沒有顯示出來實(shí)際的控制效果，希望有機(jī)會(huì)可以完整的做一套控制系統(tǒng)。5. 參考文獻(xiàn)自動(dòng)控制原理張晉格計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件馬立勇單片機(jī)原路及應(yīng)用 張毅剛附錄1. 原系統(tǒng)的階躍響應(yīng)程序num1=100;den1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G