滯后校正控制器設計

1、計算機控制課程設計報告 僅供個人學習參考，禁止轉載！題目: 滯后校正控制器設計 姓名: 學號: 2016年6月12日計算機控制課程設計任務書學 號班 級學 生指導教師題 目滯后校正控制器設計設計時間2016年 6 月 5日 至 2016 年 6 月 12 日 共 1 周設計要求設計任務： 設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為，采用模擬設計法設計滯后校正數字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標：(1) 速度誤差系數； (2) 開環(huán)系統(tǒng)截止頻率 rad/s； (3) 相位裕度 (4) 幅值裕度dB。方案設計：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設計；2. 選擇元器件，完成電路設計，控制器采用MCS-51系列單片機(

2、傳感器、功率接口以及人機接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實現(xiàn)單片機上的控制算法。報告內容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設計步驟，應包含性能曲線、采樣周期的選擇、數字控制器的脈沖傳遞函數和差分方程；2. 元器件選型，電路設計，以及繪制的Protel原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細注釋的源程序；4. 設計工作總結及心得體會；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：2016年 6 月 12 日一、 設計過程 解：（1）根據速度誤差系數K30,求K。 KV=s G0（s）=K=30 （1）所以 （2） （2）畫出控制對象的Bode圖（3）計算剪切頻率

3、，相角裕量。 11.45rad/s （3） 180°90°arctan（0.1）arctan(0.2) 25.3° （4）系統(tǒng)不穩(wěn)定，不滿足條件（4）求出相角裕量= 處的頻率，為加控制器后的穿越頻率。40°6°46°，相角裕量為46°時對應為2.7rad/s,滿足穿越頻率大于2.3rad/s的要求。（5）被控對象bode圖在=2.7rad/s處的增益為21dB,求出b. 20lgb21,b0.09 （5）（6）令,求出T。取 ，bT3.7s，T41.1s （6）（7）此時滯后控制器為 C（s） （7）校正后的開環(huán)傳遞函數 G

4、(s) C(s)·(s) · （8）（8）驗證加控制器后的系統(tǒng)的性能指標。相角裕度41.3°40°，相位穿越180°時的頻率6.8rad/s幅值裕量20lg | C(j)G(j) |10.5dB10dB,滿足要求。使用MATLAB對滯后控制器函數和校正后的開環(huán)傳遞函數進行離散化。Go=tf(30,0.02 0.3 1 0) %定義原函數Gc=tf(3.7 1,41.1 1) %定義校正函數G=Go*Gc Gcz=c2d(Gc,0.05) %離散化函數Goz=c2d(Go,0.05)Gz=Goz*Gczfigure(1)margin(Go) %畫

5、被控函數波德圖hold onmargin(G) %畫被校正后函數波德圖hold offfigure(2)sys1=feedback(G, 1); %加反饋step(sys1); %離散前單位階躍響應hold onsys2=feedback(Gz, 1); step(sys2); %離散后單位階躍響應hold off得到bode圖如下：圖1 校正前后bode圖離散化前后GoGc的階躍響應輸出:圖2 離散化前后的階躍響應圖二、控制器脈沖傳遞函數生成及其matlab仿真根據控制系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性的要求，選擇采樣周期為0.05s，對控制器采用雙線性變換離散后的脈沖傳遞函數為： （9）再由simulin

6、k仿真離散控制器：圖3 仿真模型運行得單位階躍輸入下的輸出為：圖4 階躍響應輸出曲線單位斜坡輸入下的輸出響應：圖5 單位斜坡響應輸出曲線控制器差分方程設計 根據控制器脈沖傳遞函數，可得 u(k)= 0.9988u(k-1)+ 0.09000e(k)- 0.08881e(k-1) （10）三、控制器電路設計1、控制器控制器選擇AT89C51單片機，晶振選擇12MHZ。單片機外圍電路如圖1。圖6 單片機最小系統(tǒng)電路圖2、AD轉換器 AD轉換器選擇ADC0804, 它是8位CMOS連續(xù)近似的A/D 轉換器?？奢斎氩顒幽M信號，Ui=Ui（）Ui（）。本設計使用單端輸入，將Ui（）引腳接地，信號由Ui

7、（）引腳輸入。INTR引腳與單片機INT0引腳連接，CS片選引腳接地，RD、WR引腳分別與單片機RD、WR引腳相連，DB0DB7分別與單片機P1.0P1.7相連。ADC0804可以選用內部時鐘或外部時鐘，本設計選用內部時鐘信號，只需在CLK R及CLK IN引腳加上電阻及電容。電路如圖2圖7 ADC0804電路連接圖3、DA轉換器DA轉換器選擇DAC0832,它是具有兩個輸入數據寄存器的8位DAC,它能直接與MCS51單片機相連接。將CS、WR1、WR2和XFER引腳接地，ILE引腳接5V，Vref選擇+5V， 8位數字信號輸入端DI0DI7分別接單片機的P0.0P0.7引腳。此時DAC083

8、2處于直通工作方式，數字量一旦輸入，就直接進入DAC寄存器，進行D/A轉換?？紤]到DAC0832為電流輸出型，故需要外接運算放大器，進行電流/電壓轉換，才能得到模擬輸出電壓，選擇運算放大器為LM324。由于控制器的輸出應該為雙極性輸出，故輸出需要兩個運算放大器，電路如圖8。此時DAC輸出的電壓值為：Uo=（B-128）*Vref/128。若DI7為1，則Uo為正，否則為負。圖8 DAC0832電路連接圖4、 總電路圖圖9 總電路圖四、控制器程序設計1、程序流程圖圖10 主程序流程圖圖11 定時器0中斷服務程序流程圖圖12 外部中斷程序流程圖2、源程序#include<reg51.h>

9、;/12MHZ#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharflag=0; /ADC轉換結束標志位ucharnum=0;uintui=0;uintuo=0;floatuk_1=0.0; /U(k-1)=0floatuk=0.0; /U(k)=0floatek_1=0.0; /e(k-1)=0floatek=0.0; /e(k)=0sbitwr=P36;sbitrd=P37; void init() /初始化程序P0=0; /使DAC0832初始輸出電壓為0TMOD=0x01; /設置定時器0工作在定時方式1TH0=0x4B;

10、/定時器賦初值，定時50msTL0=0x00;ET0=1; /開定時器0中斷IT0=1; /外部中斷0下降沿觸發(fā)EA=1; /開總中斷TR0=1; /啟動定時器0void main()/主程序init(); /初始化while(1)if(flag=1)/若AD轉換結束 ek=ui;/差分方程計算U（k）uk=0.09000*ek-0.08881*ek_1+0.9988*uk_1; uo=(uint)uk;P0=uo;/DAC0832輸出電壓Uoek_1=ek;uk_1=uk;flag=0; /清零標志位void int0()interrupt 0 /外部中斷0中斷服務程序EX0=0; /關外部

11、中斷0TR0=1;/開定時器0rd=1; /讀取ADC的數值rd=0;rd=1;ui=P1;flag=1;/置1標志位void timer0()interrupt 1 /采樣周期50ms定時TR0=0; /關定時器0TH0=0x4B; /定時器重裝初始值TL0=0x00;num+; if(num=1) /若50ms時間到num=0; EX0=1; /開啟外部中斷0wr=1; /開啟DAC0832wr=0;wr=1; elseTR0=1;/否則，繼續(xù)定時五、設計工作總結及心得體會： 對于滯后矯正器的課程設計，首先根據設計要求進行計算設計出滯后控制器，再通過MATLAB仿真進行離散化，然后利用simulink對系統(tǒng)進行仿真設計，最后進行了硬件的設計，對于此過程通過查閱資料，通過一些例子對A/D和D/A以及單片機電路做修改來實現(xiàn)此設計的硬件實現(xiàn)，然后程序設計根據也是通過作出修改來實現(xiàn)編程的實現(xiàn)。 通過本次課程設計讓我對于自動控制原理以及計算機控制原理的知識有了進一步的認識，同時也了解到，課程設計這種將知識實踐化的過程，將理論知識做到實際應用并不容易，同時通過此過程讓我對以前使用過的軟件如MATLAB更加熟悉，對以前沒用過的軟件如proteus、Visio軟件等有了一些初步的了解，因為剛學完單片機所以本次課程設計對于51單片機的知識有了更深的認識，對于以后的學習和實踐有一