滯后校正控制器設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告 僅供個(gè)人學(xué)習(xí)參考，禁止轉(zhuǎn)載！題目: 滯后校正控制器設(shè)計(jì) 姓名: 學(xué)號: 2016年6月12日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 號班 級學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目滯后校正控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2016年 6 月 5日 至 2016 年 6 月 12 日 共 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)： 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(jì)法設(shè)計(jì)滯后校正數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標(biāo)：(1) 速度誤差系數(shù)； (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(shè)計(jì)：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計(jì)，控制器采用MCS-51系列單片機(jī)(

2、傳感器、功率接口以及人機(jī)接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。報(bào)告內(nèi)容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)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：2016年 6 月 12 日一、 設(shè)計(jì)過程 解：（1）根據(jù)速度誤差系數(shù)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(jì)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(shí)對應(yīng)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(shí)滯后控制器為 C（s） （7）校正后的開環(huán)傳遞函數(shù) G

4、(s) C(s)·(s) · （8）（8）驗(yàn)證加控制器后的系統(tǒng)的性能指標(biāo)。相角裕度41.3°40°，相位穿越180°時(shí)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(shù)和校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化。Go=tf(30,0.02 0.3 1 0) %定義原函數(shù)Gc=tf(3.7 1,41.1 1) %定義校正函數(shù)G=Go*Gc Gcz=c2d(Gc,0.05) %離散化函數(shù)Goz=c2d(Go,0.05)Gz=Goz*Gczfigure(1)margin(Go) %畫

5、被控函數(shù)波德圖hold onmargin(G) %畫被校正后函數(shù)波德圖hold offfigure(2)sys1=feedback(G, 1); %加反饋step(sys1); %離散前單位階躍響應(yīng)hold onsys2=feedback(Gz, 1); step(sys2); %離散后單位階躍響應(yīng)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(yīng)輸出:圖2 離散化前后的階躍響應(yīng)圖二、控制器脈沖傳遞函數(shù)生成及其matlab仿真根據(jù)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(shù)為： （9）再由simulin

6、k仿真離散控制器：圖3 仿真模型運(yùn)行得單位階躍輸入下的輸出為：圖4 階躍響應(yīng)輸出曲線單位斜坡輸入下的輸出響應(yīng)：圖5 單位斜坡響應(yīng)輸出曲線控制器差分方程設(shè)計(jì) 根據(jù)控制器脈沖傳遞函數(shù)，可得 u(k)= 0.9988u(k-1)+ 0.09000e(k)- 0.08881e(k-1) （10）三、控制器電路設(shè)計(jì)1、控制器控制器選擇AT89C51單片機(jī)，晶振選擇12MHZ。單片機(jī)外圍電路如圖1。圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖2、AD轉(zhuǎn)換器 AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0804, 它是8位CMOS連續(xù)近似的A/D 轉(zhuǎn)換器?？奢斎氩顒幽M信號，Ui=Ui（）Ui（）。本設(shè)計(jì)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(jī)INT0引腳連接，CS片選引腳接地，RD、WR引腳分別與單片機(jī)RD、WR引腳相連，DB0DB7分別與單片機(jī)P1.0P1.7相連。ADC0804可以選用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)選用內(nèi)部時(shí)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(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,它是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,它能直接與MCS51單片機(jī)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(shù)字信號輸入端DI0DI7分別接單片機(jī)的P0.0P0.7引腳。此時(shí)DAC083

8、2處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。考慮到DAC0832為電流輸出型，故需要外接運(yùn)算放大器，進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓，選擇運(yùn)算放大器為LM324。由于控制器的輸出應(yīng)該為雙極性輸出，故輸出需要兩個(gè)運(yùn)算放大器，電路如圖8。此時(shí)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(fù)。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(shè)計(jì)1、程序流程圖圖10 主程序流程圖圖11 定時(shí)器0中斷服務(wù)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(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)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(shè)置定時(shí)器0工作在定時(shí)方式1TH0=0x4B;

10、/定時(shí)器賦初值，定時(shí)50msTL0=0x00;ET0=1; /開定時(shí)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(shí)器0void main()/主程序init(); /初始化while(1)if(flag=1)/若AD轉(zhuǎn)換結(jié)束 ek=ui;/差分方程計(jì)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(biāo)志位void int0()interrupt 0 /外部中斷0中斷服務(wù)程序EX0=0; /關(guān)外部

11、中斷0TR0=1;/開定時(shí)器0rd=1; /讀取ADC的數(shù)值rd=0;rd=1;ui=P1;flag=1;/置1標(biāo)志位void timer0()interrupt 1 /采樣周期50ms定時(shí)TR0=0; /關(guān)定時(shí)器0TH0=0x4B; /定時(shí)器重裝初始值TL0=0x00;num+; if(num=1) /若50ms時(shí)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(shí)五、設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會： 對于滯后矯正器的課程設(shè)計(jì)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)出滯后控制器，再通過MATLAB仿真進(jìn)行離散化，然后利用simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了硬件的設(shè)計(jì)，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(jī)電路做修改來實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)，然后程序設(shè)計(jì)根據(jù)也是通過作出修改來實(shí)現(xiàn)編程的實(shí)現(xiàn)。 通過本次課程設(shè)計(jì)讓我對于自動控制原理以及計(jì)算機(jī)控制原理的知識有了進(jìn)一步的認(rèn)識，同時(shí)也了解到，課程設(shè)計(jì)這種將知識實(shí)踐化的過程，將理論知識做到實(shí)際應(yīng)用并不容易，同時(shí)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?yàn)閯倢W(xué)完單片機(jī)所以本次課程設(shè)計(jì)對于51單片機(jī)的知識有了更深的認(rèn)識，對于以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有一