零极点匹配离散化报告.docx

计算机控制课程设计任务书学 号班 级学 生指导教师题 目零极点匹配离散化设计时间2012年 7 月 2 日 至 2012 年 7 月 9 日 共 1 周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）已知连续系统控制器传函为，T=0.5s，比较有三个和有两个无穷远处零点的零极点匹配方法的离散化频率响应曲线，实现有三个无穷远处零点的零极点匹配结果。方案设计：1. 完成控制系统的分析、设计；2. 选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图；3. 编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；2. 元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；3. 软件流程图，以及含有详细注释的源程序；4. 设计工作总结及心得体会；5. 列出所查阅的参考资料。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：2012年 6 月 28 日目录一. 设计目的3二. 设计要求3三. 设计任务3四. 设计方法与步骤3 1.设计原理分析.3 2.MATLAB程序与响应曲线5 3.Protel原理图.10 4.单片机程序流程图12 5.KEIL程序.13五. 设计心得体会.15六. 参考文献16一. 设计目的1、 了解控制系统设计的一般方法、步骤。 2、掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。 3、掌握对系统进行离散化的方法。 4、掌握MATLAB,protel,visio,keil等软件的基本操作。二.设计要求1. 完成控制系统的分析、设计；2.选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图；3.编程实现单片机上的控制算法。三设计任务 已知连续系统控制器传函为，T=0.5s，比较有三个和有两个无穷远处零点的零极点匹配方法的离散化频率响应曲线，实现有三个无穷远处零点的零极点匹配结果。四.设计方法与步骤1.设计原理分析 所谓零极点匹配法，就是按照z变换的定义z=esT,将模拟控制器D(s)在s平面上的零点和极点一一对应地映射到z平面上，使数字控制器D（z）的零极点与模拟控制器D（s）的零极点完全对应 。变换后D(z)的分母和分子的阶次总是相等的，当D(s)的极点数比零点数多时，缺少的零点可视作在无穷远处存在零点，可用z平面上的z=-1的零点匹配。方法：（a）.零极点分别按照z=esT变换（b）.如果mn,表明在s=处有零点，则将该零点映射到z=-1处s相当于在主频段-/T = num=1; den=1,1.8,1.8,1; sys=tf(num,den)Transfer function: 1-s3 + 1.8 s2 + 1.8 s + 1 numz,denz=c2dm(num,den,0.5,matched); w=0:0.1:40; mag,pha=bode(num,den,w); dmag,dpha=dbode(numz,denz,0.5,w); figure(1); plot(w,mag,blue);hold on; plot(w,dmag,red); grid on;axis(0,40,0,1.2); figure(2); plot(w,pha,blue);hold on; plot(w,dpha,red);（B）.响应曲线如下2. 2.有三个无穷远处零点的零极点匹配方法 (A).MATLAB程序如下 numz=0.0301,0.09029,0.09029,0.0301; numz=0.031,0.093,0.093,0.031; denz=1,-1.422,0.9436,-0.2722; w=0:0.1:40; dmag,dpha=dbode(numz,denz,0.5,w); figure(1); plot(w,mag,blue);hold on; plot(w,dmag,red); grid on;axis(0,40,0,1.2); figure(2); plot(w,pha,blue);hold on; plot(w,dpha,red); grid on;axis(0,40,-1200,100); （B）.响应曲线如下2.3两种情况的分析比较响应曲线如下分析：比较有两个和有三个无穷远处零点的零极点匹配方法的离散化频率响应曲线可得两者的幅频特性曲线相差不大，但相频特性曲线差异较大，有两个无穷远处零点的匹配方法比有三个无穷远处零点的匹配方法相位滞后大一些。2.4. 阶跃响应曲线比较（A） 有两个无穷远零点的情况（B）.有三个无穷远零点的情况分析：由图像可知，两种方法稳态值均趋于1，即采用零极点匹配法可以保证D（s）稳定，则D(z)一定稳定。但采用两个无穷远处零极点匹配方法所得到的阶跃响应曲线有超调且调节时间长。而采用三个无穷远零极点匹配方法所得到的阶跃响应曲线无超调且调节时间短。3. PROTEL原理图3.1控制器的选择与电路设计 单片机是计算机控制系统常用的一种控制器，具有较强的控制功能。单片机种类繁多、性能各异。本次设计对所需控制器的要求不是很高，所以选择较为常用的AT89S52作为控制器。AT89S52最高工作频率为33Hz、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器，满足设计任务要求。AT89S52其最小系统如下图3.2AD 的选择与电路设计。选择ADC0809，该AD 具有8 路输入通道，8 位AD 转换器，即分辨率为8位。转换时间为100s(时钟为640kHz 时)，130s（时钟为500kHz 时），单个5V 电源供电，模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准，工作度范围为-4085 摄氏度，低功耗，约15mW。由于该AD 内部没有时钟，要外接时钟输入，时钟可以从单片机的ALE 引脚引出，经过两个触发器分频，可得到500KHz 的时钟信号，D 触发器可以选择SUN7474.，这样AD 的转换时间为130us，可以满足本设计的要求。3.3 D/A 的选择与电路设计DAC0832分辨率为8 位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，200mW。可以满足本设计的需求。将CS、WR1、WR2 和XFER 引脚接地，ILE 引脚接5V，Vref 选择+5V，8 位数字信号输入端DI0DI7分别接单片机P0.0P0.7引脚。此时DAC0832处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A 转换。其电路图如图所示。3.4整体电路图如下4. 单片机程序流程图5. KEIL程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ST=P22;sbit OE=P21;sbit EOC=P20;/AD,DA控制位定义void Init_Timer1(void);/产生50ms延时void main(void) float uk_2=0.0; float uk_1=0.0; float uk=0.0; float ek_2=0.0; float ek_1=0.0; float ek=0.0; float uk_3=0.0; float ek_3=0.0;/数据初始化 ST=0; OE=0;/输出数据线呈高阻态 ST=1; ST=0;/开始转换数据 Init_Timer1(); while(1) if(EOC=1) uk_1=uk; uk_2=uk_1; uk_3=uk_2; ek_1=ek; ek_2=ek_1; ek_3=ek_2; OE=1;/输出转换得到数据 ek=P1;/保存数据 OE=0;/输出数据线成高阻态 uk=1.422*uk_1-0.9436*uk_2+0.2722*uk_3+0.031*ek+0.093*ek_1+0.093*ek_2+0.031*ek_3;/差分方程 P0=(uchar)uk; /将uk输出给DA while(EOC=0); /等待转换结束 void Init_timer1(void) TMOD=0x10;/设置T1为工作方式1，为16位定时器TH1=0x3C;TL1=0xB0; /装初值，设置定时时间为50msEA=1; /开总中断ET1=1; /允许T1溢出中断TR1=1; /计数器1开始工作 void Timer1_isr(void) interrupt 3 using 1 TH1=0x3C; TL1=0xB0;/重装初值，设置定时时间为50ms ST=1; ST=0;/开始下一次转换数据四.设计心得体会经过为期一周多的课程设计，让我感触颇深的是解决问题的思路、方法、技巧的重要性。所谓“万事开头难”，在最初的几天，看到题目什么也想不到，脑袋里一片空白，不知道怎么开始，也就拖拖拉拉好几天都没开始做。但是，在多次向同学请教并查阅资料后，慢慢的我似乎找到了基本的思路。虽然我做的不好，但是也收获颇多。通过这几天的设计，我们对运用MATLAB 进行控制系统数字仿真有了更加深刻的认识，对用protel 绘制电路图以及编写C 语言程序更加的熟悉。这个课程设计将我们所学的自动控制原理、计算机控制理论与应用、单片机、模拟电子技术基础、数字电子技术基础等重要课程联系起来，真正做到理论联系实际，这对我们以后的学习和工作一定会有很大的帮助。当然，由于水平有限、经验不足我们的设计还存在着一些不足，有待于在将来的设计中进一步提高