小功率隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、一、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)1. 依據(jù)動態(tài)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法及顯示等要求。二、實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(xiàng)? 編譯項(xiàng)目 ,創(chuàng)建 hex 文件3. S51ISP 軟件? S51 系列單片機(jī)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；1xxxxx3）單

2、擊打開文件，裝載.hex文件或 .bin文件，顯示讀入文件 xxxxxxx 到緩沖區(qū) 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(jì)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(yàn)設(shè)計(jì) 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(xiàng)意義比較了解，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)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(xiàng)增大使開環(huán)增益提高，調(diào)節(jié)作用變強(qiáng)，上升時間變小，閉環(huán)中產(chǎn)

3、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 P 項(xiàng)增大會使系統(tǒng) 靜態(tài)誤差減?。丛龃?K1 ）。? 微分項(xiàng)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(xiàng)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， K1 2 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。(s) s2721.3179s.5s313616664. 仿真結(jié)果：未加校正未加采樣階躍響應(yīng) 未加校正加采

4、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) =0.4587 、 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 ts<250ms，超調(diào) <0.1524% 的動態(tài)特性要求。5. 根軌跡驗(yàn)證： 未加校正開環(huán)根軌跡及 K=1 時系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)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(diǎn)位置可得未加校正時系統(tǒng)根軌跡有處于實(shí)軸外部分， 且當(dāng) K1 時有閉環(huán)極點(diǎn) -23.6±

5、41.5i， 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(diǎn)之間加入一零點(diǎn)-43.7，使得根軌跡均處于實(shí)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)字控制系統(tǒng)組成和工件原理單片機(jī)系統(tǒng)硬件框圖如下圖1.CPU? 定時 /計(jì)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(jì)數(shù)。2) 與之相關(guān)的特殊功能寄存器包括：計(jì)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(jì)數(shù)器工作方式：方式 0、方式 1、方式 2、方式 3。4) 定時 / 計(jì)數(shù)器的初始化： 初始化步驟：a) 確定工

6、作方式 編成 TMOD 寄存器；b）計(jì)算計(jì)數(shù)初值，并裝載到 TH 和 TL 寄存器；c）定時/計(jì)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(jì)數(shù)器 編程 TCON 中的 TR1 或 TR0 位。5）計(jì)數(shù)初值的計(jì)算：a）計(jì)數(shù)功能： X= 2n - 計(jì)數(shù)值 n：8/13/16b）定時功能： X= 2n - t/Tt：定時時間（ s） T ：機(jī)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(jì)數(shù)器 0000BH2外部中斷 10013H3定時 /計(jì)數(shù)器 1001BH4串行口中斷0023H5定時 /計(jì)數(shù)器 2002BH1）中

7、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(hù)斷點(diǎn)：將斷點(diǎn)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?cái)帱c(diǎn)處。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(jìn)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)

8、部結(jié)構(gòu)ADC 0809 與單片機(jī)連接? 操作過程1）連線：片選端 CS5接 20-27DAC 0832 與單片機(jī)連接? 也可 PWM 方法完成 D/A 輸出。AOUT ；1B28)寫數(shù)據(jù)；1)2)1B201B27 )寫數(shù)2) 選中通道及片選和地址所存使能軟件操作：向端口(地址為 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(jì)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；DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖? 操作過程 ：1) 連線：片

9、選端 CS6 接 28-2f ，輸出端為2) 軟件操作：向輸入寄存器端口(地址為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 不同的發(fā)光段亮可組成不同的字型(字型表在后) 。 電流大，耗電量大；電流小，發(fā)光量不夠。一般設(shè)計(jì)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。特點(diǎn)：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

10、和定時寄存器及定時控制部分 ;3) 掃描計(jì)數(shù)器 ;4) 回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路 ;5) FIFO (先進(jìn)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0C0H3FH880H7FH1F9H06H990H6FH2A4H5BHA88H77H3B0H4FHB83H7CH499H06HCC6H39H592H6DHDA1H5EH682H7DHE86H79H7F8H07HF8EH71H數(shù)碼管原理 數(shù)碼管外形段碼表? 8279 與 CPU 的連接1)連 線：片選端 CS7 接 30-37； 地

11、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(jì)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

12、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。對反饋電位器輸出電平即位置進(jìn)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：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

13、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(jì)及實(shí)現(xiàn)-1D(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(shí)現(xiàn)：數(shù)字控制器的形式：D(z) U(z) b0 b1z1bmz m寫成如下形式： D(z) E(z) 1 a1z1anz nU(z) (b0 b1z1bmzm)E(z) ( a1z1a

14、nz n)U(z)其對應(yīng)的差分方程為：u(k)b0e(k )b1e(k1)bme(km)a1u(k1)anu(kn)得u(k) 1.4e(k) 2e(k 1)2. 編程算法改進(jìn)：實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)使用 D(z) 3.4 2z 1 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(xiàng) P幾乎為零而微分項(xiàng) 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

15、°要求)二、分段微分 D 控制，僅在偏差變化較小時加入微分項(xiàng)，穩(wěn)態(tài)時不加入微分環(huán)節(jié)，即 當(dāng)微分項(xiàng)小于一定值時，將微分項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(jì)完成后，用 MA TLAB 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 ts<250ms， 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(shí)際系統(tǒng)調(diào)試電路：1. 靜態(tài)：? 未加校正環(huán)節(jié)1) 反

16、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(jī)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(jì)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(jī)轉(zhuǎn)動；4) D/A輸出± 5V時達(dá)到轉(zhuǎn)速 26 弧度/秒左右。2. 動態(tài)? 未加校正環(huán)節(jié)? 加入設(shè)計(jì)的 PD 控制器20 rad/s 對應(yīng)調(diào)節(jié)時間 ts<250ms，超調(diào) <0.1524% 的動態(tài)特性要求。 總之，系統(tǒng)靜態(tài)特性和動態(tài)特性均

17、滿足要求，而且位置顯示正常。n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(jì)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(shí)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 PD 校正時發(fā)現(xiàn)了增大比例項(xiàng) 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)

18、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(shí)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(xiàng) P幾乎為零而微分項(xiàng) 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(xiàng)，穩(wěn)態(tài)時不加入 微分環(huán)節(jié)，即當(dāng)微分項(xiàng)小于一定值時，將微分項(xiàng)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(jī)系統(tǒng)的電源為 5V、A/D 采樣范圍為 0 5V、D/A 輸出± 5V，實(shí)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

19、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(jì)控 制器，而是直接對系統(tǒng)進(jìn)行 PID 調(diào)試，調(diào)試好后，再通過根軌跡驗(yàn)證等驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)試得 到的 PID 控制器，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(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)不少實(shí) 際問題（穩(wěn)態(tài)抖動、 電源實(shí)際電壓和理論電壓不一致等等） ，

20、經(jīng)過分析我們一一找到了解決方法， 這使我們實(shí)踐動手能力有一個很大的提高。實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)。附：程序/頭文件#include <AT89X52.H>/89C52 寄存器定義頭文件/存儲器分配宏定義/ 定義 8279 的數(shù)據(jù)口地址 /定義 8279 的命令口地址 /address of adc0809 in0 /address of adc0809 in1#include <ABSACC.H>/全部變量定義#define add_8279 XBYTE0x1b3

21、0#define command_8279 XBYTE0x1b31#define add_adc0809_in0 XBYTE0x1B20#define add_adc0809_in1 XBYTE0x1B21 #define add_buffer_dac0832 XBYTE0x1B28 /address of buffer of dac0832#define add_data_dac0832 XBYTE0x1B29 /address of inable of dac0832 unsigned char adc_read_data,adc_read2_data;/ 一通道 adc_read_dat

22、a/da 輸出unsigned char add_write_data;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(jìn)行一次位置顯示的計(jì)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 char dis_num = 0x3f,0x06,0x5b,0x

23、4f,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);void timerr1();void main(void)init_all();while(1) void init_all(void)/主程序/ 初始化 8279/wait timer1 interrupt/初始化程序8279 = 0xd1;/8279 顯示函數(shù)/Timer1 中斷程度 PWM 控制command command_8279 = 0x00;

24、command_8279 = 0x2a; EA=1;ET1=1;ES=1;TMOD=0x15; TH1=0xc6;TL1=0x00;TR1=1;EX0=0;/timer1開中斷T0 timer modetl 1 foc=11.0592MHz 初始化 T1， 并啟動 T1 start T0/T1 counter model 1 /TH1=0xa6;TL1=0x00;time 25ms /here time 16.1ms void dis_8279(int num2) unsigned char hun=0,ten=0; command_8279 = 0x82; add_8279=dis_numn

25、um2/100; ten=num2%100; command_8279 = 0x81; add_8279=dis_numten/10; command_8279=0x80; add_8279=dis_numten%10; void pid() en=adc_read_data; en_p=(en-128); if(en_p<10)|(en_p>-10) out_p=Kp*en_p/5;else out_p=(Kp*en_p/2);if(out_p>70) out_p=70;else if(out_p<-70) out_p=-70;en_d=en-en_1; if(en_d<=2)&&(en_d>=-2) out_d=0;else if(en_d>2)&&(en_d<40)|(en_d<-2)&&(en_d>-40) out_d=Kd*en_d/4;else/show the