最小拍控制設(shè)計——計算機控制課程設(shè)計

1、計算機控制課程設(shè)計報告題目: 最小拍控制設(shè)計 姓名: 學號: 2014年7月4日計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書學 號班 級學 生指導教師題 目最小拍控制設(shè)計設(shè)計時間2014年 6 月 27 日 至 2014 年 7 月 4 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(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)計數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位階躍輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。方案設(shè)計：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計，控制器采用MCS-51系列單片機(傳感器、功率接口以及人機接口等可以暫不涉及)，使用Proteus繪制原理圖；3. 編程實現(xiàn)

2、單片機上的控制算法。報告內(nèi)容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟，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，以及繪制的Proteus原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細注釋的源程序；4. 設(shè)計工作總結(jié)及心得體會；5. 列出所查閱的參考資料。指導教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2014年 6 月 27 日方案設(shè)計：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)計數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位階躍輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。 2、 控制系統(tǒng)設(shè)計 1、被控對象特性圖1 被控對象整體框圖圖2 被控

3、對象波特圖圖3 被控對象波特圖圖4 被控對象Nyquist圖圖5 被控對象輸出曲線圖2、采樣周期T的選擇當取采樣周期T=0.05s時，經(jīng)過理論驗證，兩拍后系統(tǒng)無波紋，達到無波紋輸出時t=0.10s，滿足控制器要求。3、無波紋最小拍控制器的計算（1）帶零階保持器的廣義被控對象為通過matlab，z變換程序為np=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)，對于單位階躍r（t）=1（t），m=1?？紤]到廣義對象，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)計要求，系統(tǒng)在第二拍之后系統(tǒng)達到無差，最后控制器輸出恒定（u（k）=0），因此系統(tǒng)輸出不會產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時間為。將得系統(tǒng)的差分方程為： （3）三、硬件電路設(shè)計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進行仿真，但在它的庫里沒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，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號，選擇IN-0通道作為輸入。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，故選擇ADC0808的為5V。由于ADC0808的時鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號，由單片機P0.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機的P0.1。單片機晶振選12MHz，對其40分頻，產(chǎn)生300khz的時鐘信號。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表

7、明正在進行A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計將其接單片機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，當為高電平時，送出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)給P1口。設(shè)計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是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,可以直接與51單片機相連。參考電壓 ，直接與供電電源相連。 因為輸出的C（t）可能有負的情況，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；第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機P0.3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時間。 D10D17：與單片機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，根據(jù)ADC0808和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計單片機與AD、DA的接口電路如下圖所示： 圖17 控制器電路4、被

9、控對象 被控對象如下圖所示：圖18 被控對象電路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、定時器T0的初值計算 設(shè)：需要裝入T0的初值為X，則有： X化為十六進制，即X=0x3cb0T0的初值為 TH0=0x3c; TL0=0xb0;3、源程序及注釋如下：#include <reg51.h>#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，

10、不高于600KHZsbit EOC=P02; /AD的轉(zhuǎn)換完成標志，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; /定時量char e; /偏差信號char e1=0; char u; /輸出信號char u1=0; float temp;/主程序/void main()init(); START=0; /啟動信號為0DA_W=0;P2=0x80; DA_W=1; /控制器初始輸出為零while(1);/延時程序，延時i/8毫秒/void

11、delay(uchar i) uchar j;while(i-)for(j=125;j>0;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，T1為最高TH0=0x3c; /設(shè)置定時器T0的初值TL0=0xb0; /產(chǎn)生0.05s的中斷 TR0=1; /啟動定時器T0ET0=1;TH1=216; /利用T1中斷產(chǎn)生CLK信號TL1=216;TR1=1; /啟動定時器T1ET1=1;START=0; /AD初始化OE=0;DA_W=1; /DA初始化/AD子程序/void AD()STA

12、RT=0;START=1; /啟動AD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;/采樣實際偏差值 /差分方程/temp=-0.4959*u1+41.017*e-39.015*e1; if(temp>0)/當前輸出值大于零 if(temp>=127)/判斷是否溢出，溢出取極值 u=127

13、; else u=(char)temp;/控制器輸出值 else /當前輸出值小于零 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+;/定時不到1次，即不到0.05s，繼續(xù)定時/T1中斷程序/void t1(void) interrupt 3 TH1=216; /利用T1中斷產(chǎn)生CLK信號TL1=216;/重新賦初值CLK=CLK;五、 設(shè)計工作總結(jié)及心得體會：經(jīng)過一星期的計算機控制課程設(shè)計，收獲了很多。通過這幾天的學習，確實掌握了許多知識，關(guān)于MATLAB，SIMULINK還有PROTEUS。不同于以往的課程設(shè)計，計算機控制課設(shè)的包含面相當?shù)膹V泛，不僅包括對上課時的理論基礎(chǔ)的回顧還有對數(shù)學工具MATLAB的學習掌握及單片機的使用。單片機這塊還包含程序編程與原理圖設(shè)計，這使得課程設(shè)計的包含面非常廣泛，是一次對前面所學習科目的綜合設(shè)計。在這次課程設(shè)計中，我們學到了很多設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的思想與方法，應(yīng)用了計算機控制課程上學到的知識，還用到了自動控制原理、單片機原理及應(yīng)用、模擬電子技術(shù)中的相關(guān)知識，給我們提供了一個將所學的