大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 第 一 部 分任務(wù)書計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要

2、控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)和ADC、DAC等電路、由運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運(yùn)放等）；由運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象。2. 控制算法：大林控制算法。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程

3、序、濾波程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。四、課程設(shè)計(jì)要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個(gè)通道分別采集被控對(duì)象的輸出和給定信號(hào)。3. 每個(gè)同學(xué)選擇不同的被控對(duì)象：4. 對(duì)象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件通過數(shù)組單元移位實(shí)現(xiàn)。5. 定時(shí)中斷間隔選取50ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足。6. 閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)按的被控對(duì)象最大時(shí)間常數(shù)選擇。有關(guān)的設(shè)計(jì)資料可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 控制系統(tǒng)能正確運(yùn)行。2. 有振鈴和消除振鈴的系統(tǒng)階躍輸出和控制器。六、進(jìn)度安排序號(hào)內(nèi)容天

4、數(shù)1布置任務(wù)，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計(jì)1.53熟悉實(shí)驗(yàn)箱及C語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，研讀范例程序，14控制算法設(shè)計(jì)15軟件編程，調(diào)試16實(shí)驗(yàn)17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告1七、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計(jì)過程，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計(jì)的目和設(shè)計(jì)的任務(wù)。2課程設(shè)計(jì)的要求。3控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。4控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖（含被控對(duì)象），電路的原理。 5軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說明。6電路設(shè)計(jì)，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。7實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。8體會(huì)。第 二 部 分課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目 錄1 課程簡(jiǎn)介.71.1程設(shè)計(jì)目的. 71. 2程設(shè)計(jì)內(nèi)容. 71.3

5、程設(shè)計(jì)要求.72 方案設(shè)計(jì). .8 2.1控制系統(tǒng)整體方案.82.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理.8 3 大林算法硬件電路設(shè)計(jì) 83.1 A/D采樣電路.8 3.2 D/A輸出電路. . . . . . .103.3 給定對(duì)象硬件電路設(shè)計(jì).11 3.4 總硬件圖. . .11 4 控制算法設(shè)計(jì).114.1控制算法的原理.12 4.2計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)推導(dǎo)公式.124.3采樣周期.135 軟件編程設(shè)計(jì).13 5.1 主程序與中斷流程圖.135.2 部分控制程序代碼.146 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析.177 小結(jié)與體會(huì). .17參考文獻(xiàn).181、 課題簡(jiǎn)介1.1 課題目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教

6、學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。1.2 課題內(nèi)容設(shè)計(jì)以89C51

7、單片機(jī)和ADC、DAC等電路、由運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運(yùn)放等）；由運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象。2. 控制算法：大林控制算法。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。1.3 課題要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個(gè)通道分別采集被控對(duì)象的輸出和給定信號(hào)。3. 選擇被控對(duì)象： 4. 對(duì)象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件通過數(shù)組單元移位實(shí)現(xiàn)。5. 定時(shí)中斷間隔選取5

8、0ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足。6. 閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)按的被控對(duì)象最大時(shí)間常數(shù)選擇。2.大林算法控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1控制系統(tǒng)總體介紹圖2.1-1大林算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對(duì)象具有較大的純滯后時(shí)間，可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來表示，其傳遞函數(shù)為一階對(duì)象：，二階對(duì)象：,大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù) （s）相當(dāng)于一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即，并希望整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對(duì)象的純滯后時(shí)間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，純滯后時(shí)間與采樣周期T有整數(shù)倍關(guān)系，（N=1,2）。2.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林

9、算法控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)先進(jìn)行A/D采樣，將給定值采樣值取到單片機(jī)內(nèi)，之后單片機(jī)會(huì)選擇另外一路通道，進(jìn)行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機(jī)內(nèi)后，在單片機(jī)中進(jìn)行差值E(k)計(jì)算，再通過單片機(jī)中的算法程序得到輸出量U(k)，再經(jīng)過D/A變換器，將輸出結(jié)果作用于被控對(duì)象。經(jīng)被控對(duì)象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機(jī)內(nèi)。3.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 A/D采樣電路 該實(shí)驗(yàn)的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示 圖3-1 A/D采樣硬件電路圖 上圖所示的是ADC0809與8051連接的硬件電路圖，其中在ADC0809中，IN-6、IN-7分別采樣給定信號(hào)和反饋信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器的引腳A接單片機(jī)

10、的P16，用于選擇采樣通道?？刂朴?jì)算機(jī)的定時(shí)器作為基準(zhǔn)時(shí)鐘（初始化為50ms），在第一次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，此時(shí)P16=0，選擇的IN-6，采樣的是給定信號(hào)，當(dāng)采樣周期到時(shí)，此時(shí)P16=1，同時(shí)在定時(shí)器中啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)采樣的是反饋信號(hào)，給定信號(hào)和反饋信號(hào)的采樣值分別存儲(chǔ)在程序的RK和UK1中。 模數(shù)單元采用ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分。其主要特點(diǎn)為：?jiǎn)坞娫垂╇?、工作始終CLOCK最高可達(dá)1200KHz、8位分辨率、8個(gè)單端模擬輸入端（IN0IN7）、TTL電平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。 通過三端地址譯碼A、B、C多路開關(guān)可選通8路模擬輸入的任何一路

11、進(jìn)行A/D變換。其中IN1IN5的模擬量輸入允許范圍：0V4.98V，對(duì)應(yīng)數(shù)字量為00HFFH，2.5V對(duì)應(yīng)80H；IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻，所以模擬量輸入允許范圍：-5V+4.98V,對(duì)應(yīng)數(shù)字量00HFFH，0V對(duì)應(yīng)80H。在設(shè)計(jì)過程中使用的TD-ACC+教學(xué)系統(tǒng)中的ADC0809芯片，其輸出八位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)鐘1MCLK（1MHz）上。其它控制線根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可另外連接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0IN7），如圖3-1（2）所示。 其中IN6和IN7可以測(cè)量-5V+5V的量，主要是因?yàn)榧恿送獠侩娐?。如圖所示，在IN6和IN7

12、的實(shí)際輸入端其輸入范圍為05V，在外圍電路中，采用兩個(gè)相同電阻分壓的方式，因?yàn)榻o了一個(gè)5V的電壓，當(dāng)輸入端為-5V時(shí)，0809的實(shí)際輸入端為兩者相加之和的一半，為0V，在0809采樣電壓的范圍以內(nèi)。但將該采樣值取進(jìn)單片機(jī)內(nèi)后，其表示范圍為-128127，對(duì)應(yīng)為05V的電壓，所以我們需要在程序里將采樣值減去128以使采樣值與設(shè)定值相對(duì)應(yīng)。因此加了外部電路，0809就可以采集-5+5V的電壓了。3.2 D/A輸出電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時(shí)間100ns，滿量程誤差1/2LBS，參考電壓-10V+10V，供電電壓+5V+

13、15V，輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00HFFH,80H對(duì)應(yīng)于0V，輸出電壓為-5V+4、96V。在課程設(shè)計(jì)過程中采用的TD-ACC+教學(xué)系統(tǒng)中的TLC7528，其輸入數(shù)字量得八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經(jīng)接至控制計(jì)算機(jī)的總線上。片選線預(yù)留出待實(shí)驗(yàn)中連接到相應(yīng)的I/O片選上，如圖3-2。圖3-2 D/A輸出電路 該芯片TLC7528可以雙極性輸出，但須在單片機(jī)中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進(jìn)行D/A輸出。3.3給定對(duì)象硬件電路設(shè)計(jì) 圖3-3 給定對(duì)象硬件電路圖如圖3-3所示，為被控對(duì)象的硬件電路的設(shè)計(jì)圖，在本次的課程設(shè)計(jì)中的被控對(duì)象傳遞函數(shù)： ，其中比例

14、部分由兩個(gè)運(yùn)算放大器組合實(shí)現(xiàn)，即，第一個(gè)運(yùn)算放大器的積分部分為，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的第一部分，第二個(gè)運(yùn)算放大器的積分部分為，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的第二部分。3.4總硬件圖圖3-4 總硬件圖4.大林算法控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)4.1 控制算法的原理 實(shí)驗(yàn)算法中，用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)： ,將代入，并進(jìn)行Z變換：式中 ， 經(jīng)計(jì)算 ，無振鈴時(shí)，有，于是 對(duì)應(yīng)的遞推公式為 則程序中 4.2 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)公式推導(dǎo)在4、1中得到了D(z)的最終表達(dá)式，而在本實(shí)驗(yàn)中，被控對(duì)象為從而可以知道被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)為，增益K=8，根據(jù)按最大時(shí)間常數(shù)取值，取=0.4s。將各個(gè)參數(shù)代入計(jì)算：KK0=0.077，

15、KK1=0.9085，KK3=0.0017864，PP1=0.3495，PP2=0.95436，PP3=0.039514。對(duì)應(yīng)的遞推公式：u(k)=0.3495u(k-1)+ 0.95436u(k-2)+ 0.039514u(k-3)+0.077e(k)0.9085e(k-1)+ 0.0017864e(k-2)由于在二階對(duì)象中是引起振鈴的極點(diǎn)因子，令z=1，于是可以得到u(k)=0.0821u(k-1)+0.9179u(k-2)+0.0821e(k)0.0303e(k-1)+0.0019e(k-2)在程序中：KK0=0.0821，KK1=0.0303，KK2=0.0019，PP0=0.0821

16、，PP1=0.9179，PP2=0。4.3 采樣周期的選擇在本實(shí)驗(yàn)中，定時(shí)中斷間隔選取50ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又要滿足，而由被控對(duì)象的表達(dá)式可知，所以取N=1，。5.大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)5.1 主程序與中斷流程圖主程序流程圖： 圖5.1-1采樣中斷服務(wù)程序流程圖：圖5.1-25.2 部分控制程序代碼1.主程序部分源碼：void main(void) TMOD = 0x01;t0_h = (65536-15536)/256;/計(jì)算定時(shí)器0初值t0_l = (65536-15536)%256;t0_l = t0_l+20;/修正因初值重裝而引起的定時(shí)誤差TH0 =

17、 t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;/邊沿觸發(fā)中斷EX1 = 1;/開外部中斷1ET0 = 1;/開定時(shí)中斷0TR0 = 1;/啟動(dòng)定時(shí)器TC = 1;DAC_1= 0x80;/D/A清零UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0;/變量清零EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0; RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0;bb = 0;EA = 1;/開總中斷FLG = 0;DOUT0 = 0;while(1);主程序的功能主要是：對(duì)定時(shí)器的賦值、開外中斷、初始各變量，其中while(1)是使主程序進(jìn)入死循環(huán)，等待中斷到來。 2. 采樣

18、中斷程序的部分源碼： （1）判斷同步信號(hào)程序：DIN0 = 1;/讀取輸入前，先輸出高電平 if(DIN0)/判同步信號(hào)到否 UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0; EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0;RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0; DAC_1 = 0x80;/D/A輸出零TC = 1; （2）雙通道采樣： TC-;/判采樣周期到否 if(TC=0) if(FLG=0) RK=ADC_7-128;/采樣當(dāng)前的給定值DOUT0 = 1; FLG = 1; TC = TK; else FLG = 0;UK = ADC_7-128;/采

19、樣當(dāng)前的輸出值，并計(jì)算偏差的變化量 DOUT0 = 0;EK = RK-UK;EK_1 = RK_1-UK_1;EK_2 = RK_2-UK_2;EK_3 = RK_3-UK_3; i=KK*0EK*+KK1*EK_1+EK_2*KK2j = PP1*UK_1 + PP2*UK_2 + PP3*UK_3;UK = G*i + j; if(UK>0)/判控制量是否溢出，溢出賦極值 if(UK>127) aa = 127; else aa = (char)UK; else if(UK<-128) aa = -128; else aa = (char)UK; DAC_1 = bb+

20、128;/D/A輸出控制量 bb =aa ;UK_3 = UK_2;/控制量遞推 UK_2 = UK_1; UK_1 = UK; EK_3 = EK_2;/偏差遞推 EK_2 = EK_1; EK_1 = EK;TC = TK;/采樣周期變量恢復(fù) 雙通道采樣原理說明：由于在主程序中，將DOUT2置“0”，已經(jīng)選擇了采樣通道IN6，第一次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲(chǔ)在RK中，同時(shí)將DOUT2置“1”，這時(shí)將A/D通道IN7選中，等待采樣周期到時(shí)，則采樣反饋信號(hào)，并將采樣值存儲(chǔ)在UK1中，在變量定義中，已經(jīng)將P1.6定義為DOUT2，故改變DOUT2值就改變了P1.6。 中

21、斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能：對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲(chǔ)在RK中，同時(shí)將DOUT2置“1”，將A/D通道IN7選中，待采樣周期到時(shí)，則采樣反饋信號(hào)，并將采樣值存儲(chǔ)在UK1中，接下來便是計(jì)算偏差E(k)，計(jì)算U(k)，將值通過端口DAC_1在下一周期到來時(shí)輸出；再次在該中斷程序中，增加一個(gè)變量bb1,用于存儲(chǔ)前一周期的輸出值，這樣使得輸出量能夠延遲1秒輸出；最后就是通過遞推公式，計(jì)算實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的不斷優(yōu)化。該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是對(duì)定時(shí)器的重新裝值，同時(shí)，當(dāng)采樣周期到時(shí)，啟動(dòng)A/D，用于對(duì)轉(zhuǎn)換反饋信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果無振鈴7. 小結(jié)與體會(huì) 課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重