計算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計超前滯后矯正控制器設(shè)計

1、計算機(jī)控制課程設(shè)計報告題目: 超前滯后矯正控制器設(shè)計 姓名: 學(xué)號: 10級自動化 2013年12月2日計算機(jī)控制課程設(shè)計任務(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)計設(shè)計時間2013年 11 月 25 日 至 2013 年 12 月 2 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)：（按照所選題目內(nèi)容填寫）13超前滯后校正設(shè)計設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，采用模擬設(shè)計法設(shè)計數(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：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(jī)(傳感器、功

2、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. 編程實現(xiàn)單片機(jī)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)計工作總結(jié)及心得體會；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1.1實驗要求設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，采用模擬設(shè)計法設(shè)計數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足：速度誤差系數(shù)不小于100，相角裕度不小于40度，

3、截止角頻率不小于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:(2)用MATLAB畫出的Bode圖為：由圖可以得到未校正系統(tǒng)的性能參數(shù)為：相角裕度， 幅值裕度,剪切頻率為：， 截止頻率為（3）未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可以看出系統(tǒng)產(chǎn)生衰減震蕩。（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0dB線。如果只加入一個超前校正網(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（1）確定剪切頻率過大會增加超前校正的

4、負(fù)擔(dān)，過小會使帶寬過窄，影響響應(yīng)的快速性。首先求出幅值裕度為零時對應(yīng)的頻率，約為，令。（2）確定滯后校正的參數(shù), ,并且取得, 則滯后校正的控制器為此時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線為：滯后校正后的性能參數(shù)為：相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為系統(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（，0dB）作-20dB/dec線，與原先的Bode相交，交點(diǎn)的角頻率為：, ,超前矯正控制器的傳遞函數(shù)為：（4）超前滯后校正同時作用時系統(tǒng)的Bode圖：相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為校正后的系統(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（6）設(shè)計好的控制器

5、傳遞函數(shù)為：1.4用模擬法設(shè)計數(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,因為考慮到A/D，D/A轉(zhuǎn)換的時間以及單片機(jī)計算的時間，采樣時間不能選的太小，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離散化后得脈沖函數(shù)為：(4)被控對象離散化離散化的被控對象為：（5）繪制出離散系統(tǒng)的Bode圖相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為離散化的控制器仍舊滿足性能指標(biāo)的要求

6、，設(shè)計合理。(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)：1.5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。在控制器設(shè)計時采用了超前滯后校正，所以采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)比較簡單，而且任何一系數(shù)有誤差，不會使控制器所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因為有復(fù)數(shù)零點(diǎn)，故可以寫成（2）轉(zhuǎn)換為差分方程的形式：0.9715可以通過一個比例環(huán)節(jié)實現(xiàn)，可以不用考慮。只需在設(shè)計好的控制器上加個比例因子即可。2.硬件電路設(shè)計21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

7、選擇選擇ADC0809,該AD有8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為，（時鐘為640KHz時），（時鐘為500KHz時）；單個+5V供電，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)部沒有時鐘，所以需要外接時鐘，時鐘從單片機(jī)的ALE引腳引出。在經(jīng)過兩個D觸發(fā)器分頻，從而達(dá)到500KHz的時鐘信號。D觸發(fā)器選擇74LS174。A/D轉(zhuǎn)換時間為，應(yīng)該能滿足設(shè)計的要求。(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+5V到+15V;可以滿足設(shè)計的要求。輸出電壓值為： 2.2電路的設(shè)計（1）A/

8、D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計將AD轉(zhuǎn)換的ADDA,ADDB,ADDC接地，選擇IN0鎖存器。EOC接P2.2,轉(zhuǎn)換結(jié)束則輸出1，否則輸出為0；OE接P2.1，選擇是否輸出數(shù)據(jù)。OE=0,輸出高阻態(tài)，OE=1輸出數(shù)字量；ST接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SUN7474的輸出端，輸入500HZ時鐘信號；Vref(+)接+5V,Vreft(-)接地，VCC接電源,GND接地；ALE地址所存，上跳沿所存，可以接在P2.O口。D0-D7接單片機(jī)的P1.0-P1.7;(2)D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 D0-D7接單片機(jī)的P0.0-P0.7，數(shù)

9、字量輸入；將CS，WR1,WR2,XFER,引腳接地；ILE引腳接+5V,Vref選擇+5V,GND接地；此時DAC0832處于直通工作方式，一旦有數(shù)字量輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。（3）8051單片機(jī)的電路設(shè)計： 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)字輸出端； P2.0接A/D轉(zhuǎn)換ST端；P2.1接A/D轉(zhuǎn)換OE端；P2.2接A/D轉(zhuǎn)換EOC端；外接2MHZ的時鐘電路輸入到時鐘端XTAL1,XTAL2;外接復(fù)位電路到RET；2.2硬件電路圖3.用單片機(jī)實現(xiàn)控制算法3.1流程圖(2)程序編寫#include<reg51.h>

10、#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit ST=P20; sbit OE=P21; sbit EOC=P22; /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) /*定時器中斷初始化*/ TMOD|=0XF9;/ 設(shè)置T1工作在方式1，16位定時器方式 TH1=0x7E; TL1=0xE0; /裝初值，定時10ms EA=1

11、;/開總中斷 ET1=1;/開T1中斷 TR1=1;/啟動定時器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 /*定時器中斷處理*/ void time(void) interrupt 1 using 1 TH1=0XF

12、9; 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)計總結(jié)與體會4.1設(shè)計過程總結(jié)：（1） 首先用自動控制原理的知識，設(shè)計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)計好的控制器分為幾個串聯(lián)或者并聯(lián)的控制器，并將每個控制器轉(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畫出實現(xiàn)控制器任務(wù)的最小系統(tǒng)硬件圖。（6） 繪制控制算法流程圖（7） 編程實現(xiàn)控制器的

13、控制算法4.2心得體會在這次的設(shè)計過程中，我將整個控制器的設(shè)計過程都經(jīng)歷了一遍，包括應(yīng)用自動控制原理的知識來設(shè)計超前滯后校正，并用MATLAB繪制Bode圖；應(yīng)用用計算機(jī)控制系統(tǒng)的知識對設(shè)計好的模擬控制系統(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)驗為我們以后的學(xué)習(xí)工作打下了基礎(chǔ)。設(shè)計中的不足之處是沒有實際的硬件電路來驗證自己設(shè)計的控制器的正確性，沒有顯示出來實際的控制效果，希望有機(jī)會可以完整的做一套

14、控制系統(tǒng)。5. 參考文獻(xiàn)自動控制原理張晉格計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計課件馬立勇單片機(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,1);step(T);2.校正后系統(tǒng)的bode圖程序：num1=conv(33 100,0.3 1);den1=conv(0.03 1,conv(3 1,conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)margin(num1,den1);3.校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線程序：num1=conv(33 100,0.3 1);den1=c

15、onv(0.03 1,conv(3 1,conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G,1);step(T) 4.校正后離散系統(tǒng)的bode圖程序num1=conv(0.33 1,0.3 1);den1=conv(3 1,0.03 1);GC1=tf(num1,den1);GC1GZ1=c2d(GC1,0.01,'tustin');GZ1num0=100;den0=conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1);Gp=tf(num0,den0);GZ2=c2d(Gp,0.01,'ZOH')GZ2