計算機控制課程設計講解

題目: 最小拍控制設計姓名： 學號： 指導教師簽字:系(教研室)主任簽字:指導教師簽字:系(教研室)主任簽字:學號班級學生指導教師題目最小拍控制設計設計時間2014年6月27日至2014年7月4日共1周設計要求設計任務：設單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞G(s)=10 G(s)=1—ef函數(shù)分別為s(s+1)，11 s，采樣周期T=0.1s，設計數(shù)字控制器D(乙)，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。萬案設計：完成控制系統(tǒng)的分析、設計；選擇元器件，完成電路設計，控制器采用MCS-51系列單片機(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；編程實現(xiàn)單片機上的控制算法。報告內(nèi)容：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(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；元器件選型，電路設計，以及繪制的Protel原理圖；軟件流程圖，以及含有詳細注釋的源程序；設計工作總結及心得體會；列出所查閱的參考資料。、題目分析根據(jù)題目要求，設單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳G(s)=10G(s)=1—ef遞函數(shù)分別為「 s(s+1)， "s，采樣周期T=0.1s，設計數(shù)字控制器D(乙)，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實現(xiàn)最小拍無波紋控制。二、設計最小拍控制器1、控制系統(tǒng)總體介紹最小拍閉環(huán)控制系統(tǒng)包括給定值，輸出值，D/A轉換環(huán)節(jié)，數(shù)字控制器，被控對象，零階保持器等環(huán)節(jié)。在數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是為滿足這一要求的一種離散化設計方法。所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)具有以下形式：①(z)=0]zT+。2z-2+ +。/-N式中N是在可能情況下的最小正整數(shù)。這一形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應在N個采樣周期后變?yōu)?，從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。2、控制系統(tǒng)框圖及閉環(huán)工作原理輸出信號圖輸出信號圖1控制系統(tǒng)框圖最小拍雙通道采樣的閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖1所示，在該系統(tǒng)中對給定值r(t)進行D/A轉換采樣，得到離散化的r(z),并且對輸出值c(t)也進行D/A轉換，得到c(z)，然后計算有e(k)=c(k)-r(z)。D(z)為計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，U(z)為輸出的控制量，然后經(jīng)過A/D轉換后得到模擬控制量U(t)對包含零階保持器

的被控量進行控值進而達到要求的最小拍控制的目的。3、最少拍無紋波系統(tǒng)控制算法設計(1)10(1)Gp(S)=福可(1)帶零階保持器的廣義被控對象為Gp(s)通過matlab，z變換程序為np=[0 010];dp=[1 10]；np=[0 010];dp=[1 10]；hs=tf(np,dp)；hz=c2d(hs,0.1)結果為Transferfunction:0.04837z+0.04679zA2-1.905z+0.9048Samplingtime:0.1seconds0.04837z+0.04679(2)G(z)= (2)z2-1.905z+0.9048(2)無波紋最小拍控制器D(z)根據(jù)G(z)，對象有一個純遲后因子v=1,一個零點^1=-0-967,兩個極點，輸R(z)=0.1z-1入函數(shù)為單位斜坡信號r(')=*， (1—z-1)2，m=2,則閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)以z)=(1+0.967z-1)0z-1+f2z-2)中(1)=(1-0.967)(f+f中'(1)=2.967f+4.901f2

得系數(shù)匕T.266,f2=—0.758，則系統(tǒng)脈沖傳函為中得系數(shù)匕T.266,f2=—0.758，則系統(tǒng)脈沖傳函為中(z)=1.266z-1+0.466z-2+0.733z-3誤差脈沖傳函為中(z)=(1-z-1)2(1+0.733z-1)=1—1.267z-i-0.466z-2+0.733z-e(4)由七G*七得設計的控制器為26.183(z-0.6986)(z-0.9048)26.183z2-41.982z+16.552D(z)= —(z-1)(z+0.733)z2-0.267z-0.733(5)4、無波紋最小拍控制系統(tǒng)simulink仿真圖2控制系統(tǒng)整體框圖仿真結果為：(1)系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)圖形如圖3所示:圖3系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)(2)系統(tǒng)誤差e(t)曲線如圖4所示：圖4系統(tǒng)誤差e(t)曲線(3)控制器輸出u(k)曲線如圖5所示:圖5控制器輸出u(k)曲線通過仿真曲線看出：控制器D(z)滿足設計要求，系統(tǒng)在第三拍之后系統(tǒng)達到無差，輸出響應從第三個采樣周期開始完全跟蹤輸入，且沒有波紋。最后控制器輸出恒定(u(k)=0)，因此系統(tǒng)輸出不會產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時間為'廣°.女。D(z)=將 E(z)得系統(tǒng)的差分方程為:u(k)=0.267u(k-1)+0.733u(k-2)+26.183e(k)-41.983e(k-1)+16.552e(k-2)(6)三、硬件電路設計及元件選型1、AD轉換器選擇AD0808由于51單片機大部分不帶AD轉換器，所以模擬量的采集就必須靠A/D實現(xiàn)。我們選擇8位精度的AD轉換器AD0808。ADC0808是8位逐次逼近型A/D轉換器。它由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成，內(nèi)部具有鎖存功能，故不需要加地址鎖存器。ALE腳為地址鎖存信號，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。START腳為AD轉換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，故選擇ADC0808的Vrei為土5V。由于ADC0808的時鐘所限，AD轉換器的時鐘信號，由單片機P2.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機的P2.1。由單片機產(chǎn)生300khz的時鐘信號。單片機晶振可選擇為12MHz。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明

正在進行A/D轉換。設計將其接單片機P2.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉換完成。AD轉換結果由P0口讀入，故將AD轉換器的輸出與單片機P0口相連，高低位依次相連。INPUTIN0CLOCK*IN1STARTIN2IN3EOCIN4IN5OUT1INPUTIN0CLOCK*IN1STARTIN2IN3EOCIN4IN5OUT1IN6OUT2IN7OUT3OUT4ADDAOUT5ADDBOUT6ADDCOUT7ALEOUT8VREF(+)VREF(-)OEU2INPIF262516ADC0808I——!H^4^ l_I_23i+5V— 22■?■10__CIK1.■6—START?j—EOC蘭21 AD720 AD6i19-AD5±18-AD4■8AD3AD2.■14-AD1■17AD0^9——OE^CLK-5V圖6AD轉換器硬件電路接線圖2.DA轉換器選擇DAC0832。具有8位并行、中速（建立時間1us）、電流型、低廉（10?20元）的特點。DAC0832的引腳接法下：CS:片選端，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平。WR2：DAC寄存器寫選通控制端，故直接接低。XFER:數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1；第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機P2.3口相連，由程序控制DA轉換的時間。D10-D17:與單片機P0?P7相連。

R4OPAMPR2R3OUTPUT10kU32019181716DA415DA514DA613DA712U5OPAMPR4OPAMPR2R3OUTPUT10kU32019181716DA415DA514DA613DA712U5OPAMPAD6AD7STARTCLKEOCDA_WOE9GND一tA_W―2 3?—DA34? DA25k* DA16DA07 VERF8―RFB020kU420kCSVCCWR1ILE(BY1/BY2)GNDWR2DI3XFERDI2DI4DI1DI5DI0DI6VREFDI7RFBIOUT2GNDIOUT1DAC0832圖7DA轉換器硬件電路接線圖3、控制器控制器選擇AT89C51單片機，根據(jù)ADC0808和DAC0832的特性，及上述分析，設計單片機與AD、DA的接口電路如下圖所示。RP1RESPACK-8C2U11nFC3IIX1-1~CRYSTAL10kDA0DA1DA2DA3DA4DA5DA6gXTAL1U11nFC3IIX1-1~CRYSTAL10kDA0DA1DA2DA3DA4DA5DA6gXTAL1P0.0/AD0XTAL2P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3RSTP0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7PSENP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P1.0P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P1.3P3.2/+NTGP3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RDX119X218918345639AD038AD137AD236AD335AD434AD533AD632AD7212324STARTCLKEOCDA_WOE-^0-^1^2-^3-^4—15-^64、被控對象如圖9所示，左邊的積分環(huán)節(jié)通過選取500K的輸入電阻和2UF的并聯(lián)電容來實現(xiàn)，右邊的放大器上并聯(lián)了R=500K和C=2uF實現(xiàn)時間常數(shù)T2=1S，然后R再通過R2=10實現(xiàn)放大系數(shù)Kp=10的要求。圖9被控對象實現(xiàn)硬件電路圖STARTCLKEOC■24 WADC0808U2IN0CLOCKIN1STARTSTARTCLKEOC■24 WADC0808U2IN0CLOCKIN1STARTIN2IN3EOCIN4IN5OUT1IN6OUT2IN7OUT3OUT4ADDAOUT5ADDBOUT6ADDCOUT7ALEOUT8VREF(+)VREF(-)10CIK.6START7EOC21AD720AD619AD518AD4—8—AD315AD214AD117AD01A0 i_)A1 2—)A2 3—)A3 4—)A4 5—)A5 6—)A6 7—U1 XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXD-P1.1P31/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/I0.P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.77RDAT89C51INPUOUTPU尊5*8一7-4234§07ci2?2-^-^^^^^llU3_CSVCCWR1ILE(BY1ZBY2)_GNDWR2DI3XFERDI2DI4DI1DI5DI0DI6VREFDI7RFBIOUT2圖10整體實現(xiàn)硬件接線圖四、程序流程圖及源程序1、流程圖主程序主要通過調(diào)用子程序實現(xiàn)系統(tǒng)初始化和變量初始化的操作，包括設定定時器的工作狀態(tài)、定時器裝初值、開定時中斷、啟動定時器、D/A清零、變量清零等內(nèi)容，完成上述操作后就等待進入定時中斷。主程序流程圖如圖11所示。圖11主程序流程圖定時器1中斷服務程序實現(xiàn)的功能有：是為AD轉換提供脈沖信號，流程圖如圖12所示。圖12定時器1中斷服務流程圖

定時器0中斷服務程序實現(xiàn)了采樣和計算輸出控制量的功能。首先檢查是否到了采樣周期，如果到了，就把輸出清零、變量初始化并給采樣周期值，進行下一步的采樣和計算，沒到就就繼續(xù)計時等待采樣周期到來。根據(jù)之前算得的公式計算出控制輸出u(k)，然后檢查控制量是否溢出，溢出了就取相應的最值。這之后輸出控制量。最后進行控制量和偏差的遞推和采樣周期恢復，就返回了，流程圖如圖13所示。

圖13定時器0中斷服務流程圖定時器T0的初值計算：機器周期：川'=lx10-6s，采樣周期T=0.1s設：需要裝入T0的初值為X，則有：（216-X）xlx10-6=50x10-3216-X=5000X=15536X化為十六進制，即X=0x3cb0T0的初值為TH0=0x3c;TL0=0xb0;2、源程序及注釋#include<reg51.h> 定義變量及其初始化 sbitstart=P2A0;//AD啟動信號sbitCLK=P2A1;//AD時鐘信號輸出口sbitEOC=P2A2;//AD轉換完成信號sbitDA_W=P2A3;sbitOE=P2A4;//DA轉換信號unsignedcharad_data;//AD采樣值unsignedcharn=0;//定時標記量chare;〃定義當前采樣值charu;〃定義DA輸出量charu0=0;//charu1=0;//chare0=0;//chare1=0;〃前二次采樣值和前二次控制值floattemp;〃設置指針AD采樣函數(shù) voidAD()////////啟動AD轉換器，開始轉換////轉換未結束，空循環(huán)//轉換結束后，讀取AD輸出值while(EOC==0);OE=1;ad_data=P0;OE=0;} 定時器中斷初始化程序voidTimeInitial(){IP=0x08;〃設置中斷優(yōu)先級，定時器1為高優(yōu)先級TMOD=0x21;〃定時器1米用方式2,定時器0米用方式1TH1=0xd8;〃設置定時器1的初值TL1=0xd8;TH0=0x3c;TL0=0xb0;〃設置定時器0的初值EA=1;〃開放所有中斷ET1=1;〃允許T1溢出中斷TR1=1;〃啟動定時器1ET0=1;〃允許T0溢出中斷TR0=1;}〃啟動定時器0 主函數(shù) voidmain(){TimeInitial();start=0; //AD啟動信號為0DA_W=0;P1=0x80;DA_W=1; 〃控制器初始輸出為零while(1); 〃空循環(huán)，等待中斷} 定時器0中斷函數(shù) voidT0(void)interrupt1using1{TH0=0x3c;TL0=0xb0; 〃重裝初值if(n==2){n=0;AD(); //0.1s后，讀取AD采樣值e=ad_data-128; 〃采樣實際偏差值temp=0.267*u1+0.733*u0+26.183*e-41.983*e1+16.552*e0; 〃差分方程if(temp>0) 〃當前輸出值大于零{if(temp>=127)u=127; 〃判斷是否溢出，溢出取極值elseu=(char)temp; 〃控制器輸出值}

else{if(temp<=-127)else{if(temp<=-127)u=-127;elseu=(char)temp;}P1=u+128;u0=u1;u1=u;e0=e1;e1=e;DA_W=0;DA_W=1;}elsen++;}〃判斷是否溢出，溢出取極值〃控制器輸出值//DA輸出值〃控制量遞推賦值〃偏差量遞推賦值〃上升沿DA輸出〃定時不到0.1s，繼續(xù)定時 定時器1中斷函數(shù) voidclk(void)interrupt3using0{CLK=?CLK; 〃產(chǎn)生時鐘信號}五、設計小結本次課程設計讓我們進一步熟悉并掌握了數(shù)字控制器設計的一般步驟，以及使用MALAB、PROTEL、KEIL等軟件進行設計、分析、仿真的過程。在設計過程中遇到的一些問題，比如控制器設計方案的選擇，MATLAB仿真模型的建立、控制器程序的