《计算机控制》课程设计报告-无波纹最小拍控制设计.doc

计算机控制课程设计报告 题目: 无波纹最小拍控制设计 姓名: 学号: 姓名: 学号: 姓名: 学号: 2011 年 7 月 2 日 2 计算机控制计算机控制课程设计任务书课程设计任务书 专 业电气工程及其自动化班 级 学 生指导教师 题 目无波纹最小拍控制设计 设计时间2010 年 6 月 25 日 至 2010 年 7 月 2 日 共 1 周 设计要求 设计任务：无波纹最小拍控制设计 采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要 ) 1( 10 )( ss sGp 求系统在单位斜坡输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控 制器。 方案设计： 1. 采用 Matlab 完成控制系统的建立、分析、设计和模拟仿真； 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. 控制算法采用单片机汇编语言编程实现（应通过编译，无语法错误） 。 报告内容: 1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含 Matlab 仿真的性能曲线、采样周 期 T 的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式； 2. 元器件选型过程，电路设计过程，绘制的 Protel 原理图； 3. 算法流程图，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： 2010 年 7 月 5 日 3 目目 录录 计算机控制计算机控制课程设计任务书课程设计任务书.2 1 设计任务与理论基础设计任务与理论基础.4 1.1 设计任务.4 1.2 离散化设计方法.4 2 控制器的设计与仿真控制器的设计与仿真.5 2.1 无波纹最小拍控制器的设计.5 2.1.1 Z 传递函数 G(z) .5 2.1.2 闭环 Z 传递函数 (z) .5 2.1.3 Z 传递函数 D(z) .6 2.1.4 数字控制器的差分方程形式.6 2.2 SIMULINK仿真.7 3 电路设计电路设计.9 3.1 器件选择.9 3.2 电路设计.10 3.2.1 总电路图.10 3.2.2 8051 外围电路.10 3.2.3ADC0809 模块.11 3.2.4 DAC0832 模块外围电路.12 4 流程图与程序流程图与程序.12 4.1 流程图.12 4.2 源程序代码.13 5 工作总结与体会工作总结与体会.16 附：参考文献附：参考文献.17 4 1 设计任务与理论基础设计任务与理论基础 1.1 设计任务设计任务 无波纹最小拍控制设计 采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要求系统在单 ) 1( 10 )( ss sGp 位斜坡输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控制器。 1.2 离散化设计方法离散化设计方法 - e(t) + r(t) D(z) T e(k) H(s) u(t)u(k) Gc(s) y(t) T 图 1-1 计算机控制系统框图 Gc(s) 被控对象的连续传递函数， D(z) 数字控制器的 Z 传递函数， H(s) 零阶保持器的传递函数， T 采样周期。 广义对象 G (s)的 Z 传递函数为： 则闭环 Z 传递函数为： 若已知 Gc(s) ，且可根据控制系统的性能指标要求构造 (z)，则根据 和 得数字控制器得离散化设计步骤： 1）求广义对象的 Z 传递函数 G(z)； 2）根据控制系统的性能指标和其他约束条件，确定所需的闭环 Z 传递函数 (z)； 3）求数字控制器的 Z 传递函数 D(z)； 4）根据 D(z)求取控制算法的递推公式，设 D(z)的一般形式： )()()(sGsHZzG C )( )1 ()( 1 1 s sG ZzsG s e Z C C Ts )()(1 )()( )( zGzD zGzD z )( 1 )(sG s e ZzG C Ts )(1 )( )( 1 )( z z zG zD 5 得 D(z)的计算机控制算法 2 控制器的设计与仿真控制器的设计与仿真 2.1 无波纹最小拍控制器的设计无波纹最小拍控制器的设计 2.1.1 Z 传递函数传递函数 G(z) 按照离散化设计的步骤,先求得连同零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为: 11 11 0 1103.68(1 0.718) ( ) (1)(1)(1 0.368) Ts ezz G zZ ss T szz 其在 MATLAB 环境下的描述语句如下： G=zpk(,0 -1,10);%传递函数 HG=c2d(G,1,zoh); %带 ZOH 的离散化,采样周期为 1s 程序运行结果如下： Zero/pole/gain: Zero/pole/gain: 103.6788 (z+0.7183) - s (s+1)(z-1) (z-0.3679) 与手算结果一致。 2.1.2 闭环闭环 Z 传递函数传递函数 (z) 闭环脉冲传递函数为： 111 ( )1.407(1 0.718)(1 0.586)zzzz 误差脉冲传递函数为： 1 21 ( )(1) (1 0.593) e zzz n i i i m i i i za zb zE zU zD 1 0 1 )( )( )()()()( 10 zUzazEzbzU i n i i i m i i )()()( 10 ikuaikebku n i i m i i 6 其在 MATLAB 环境下的描述语句如下： z=tf(1 0,1,1); phil=(1+0.593/z)*(1-1/z)2; %e(z) phi=1.407*(1+0.718/z)*(1-0.586/z)/z; %(z) 程序运行结果如下： Transfer function: Transfer function: z3 - 1.407 z2 - 0.186 z + 0.593 1.407 z2 + 0.1857 z - 0.592 - - z3 z3 与手算结果一致。 2.1.3 Z 传递函数传递函数 D(z) D=phi/(HG*phil); %控制器 D（z） sys0=feedback(HG,1); %未加控制器时的闭环传函 sys=feedback(HG*D,1); %加控制器后的闭环传函 程序运行如下： Zero/pole/gain: 0.38246 z3 (z+0.718) (z-0.586) (z-0.3679) (z-1) - z3 (z+0.7183) (z+0.593) (z-1)2 Sampling time: 1 与手算结果一致。 2.1.4 数字控制器的差分方程形式数字控制器的差分方程形式 根据输出函数 111 1 0.382(1 0.368)(1 0.586) ( ) 1 zzz U z z 可得差分方程形式 ( )0.382 (1)0.364 (2)0.082 (3)(1)u ke ke ke ku k 7 2.2 Simulink 仿真仿真 在 simulink 环境下建立控制模型如图 2-6 所示: 图 2-1 输入为单位速度输入,运行后,双击虚拟示波器查看输出 相应性能曲线如下所示： 1.离散化后斜坡输入 图 2-2 2.e(k)波形图 8 图 2-3 3.u(k)波形图 图 2-4 4.离散化后输出 9 图 2-5 5.未离散化后输出 图 2-6 由仿真图可知控制器输出在 3 拍后达到恒定，同时系统输出不产生波纹 经 MATLAB 下的分析设计与 SIMULINK 下的模型仿真，我们认为当前设计完全符合 最小拍无波纹系统的要求。下面将具体讨论硬件电路的设计与程序算法。 3 电路设计电路设计 3.1 器件选器件选择择 由于本设计对单片机的要求不高，因此控制器选择传统的 8051 单片机即可满足要求， 同时由于系统精度要求不高，可选用 8 位 AD 与 DA。模数转换芯片采用 ADC0809，数模 10 转换芯片采用 DAC0832。由于系统采用总线结构，需要锁存器 74HC373。ADC0809 的时 钟可由 ALE 二分频得到，需要 D 触发器 74LS74, 由于 ADC0809 的时钟所限，单片 机晶振可选择为 6MHz。考虑到 DAC0832 为电流型 DAC，故需要运放转换电路，选择 运算放大器为 LM324。 3.2 电路设计电路设计 3.2.1 总电路图总电路图 控制器电路原理图如下图所示： 图 3-1 3.2.2 8051 外围电路外围电路 由于本课程设计对单片机的性能不高，因此 8051 单片机完全可以满足此要求，同时 51 单片机也有着低廉的价格，不错的性能等诸多优点 8051 的最小系统电路如下图所示 11 图 3-2 3.2.3ADC0809 模块模块 这里采用 ADC0809 芯片，此芯片时 8 位逐次逼近型 A/D 转换器，带 8 个模拟量输入通 道，芯片内带通道地址译码器，输出带三态数据锁存器启动信号为脉冲启动方式，每一通 道转换大约 100s。 ADC0809 与单片机连接方式如下所示： 图 3-3 12 3.2.4 DAC0832 模块外围电路模块外围电路 DAC0832 带有数据输入寄存器，是总线兼容型，可直接与总线相连。本电路中 DA 与单片 机之间采用单缓冲接法，输出采用双极性输出。 DAC082 的外围电路如下图所示： 图 3-4 4 流程图与程序流程图与程序 4.1 流程图流程图 算法流程图如图 4-1 所示： 13 图 4-1 采样周期设定为 1s，系统初始化后，由定时器计时，系统不断查询，若采样周期到， 则启动 AD 采样，并根据前面计算所得公式计算 D（z） ，最后输出控制量 u（k）经 DAC 转换后输出。 4.2 源程序代码源程序代码 采用 C 语言编程，编译环境为 wave6000。现附含详细注释的源代码如下： /* 程序名称:无波纹最小拍控制器 */ #include #include #include /* 宏定义 */ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ADC_7 XBYTE0 x7ff0 /定义模数转换 IO 地址 #define DAC_1 XBYTE0 x7ff2 /定义 D/A 第一路的 IO 地 /* 全局变量定义 */ 14 sbit str = P17; /定义 A/D 启动信号 sbit DIN0 = P10; /声明同步信号 uint data time; /声明变量，用于定时 uchar data t0_h,t0_l; /用于存储定时器 0 的初值 int TK=100; /声明采样周期变量,/采样周期TK*10ms int TC; /TK 的变量 float KK0=0.382 /系数 kk0 float KK1=-0.364 /系数 kk1 float KK2=0.082; /系数 kk2 float KK3=0; /系数 kk3 float PP1=-0.407; /系数 pp1 float PP2=-0.593; /系数 pp2 float PP3=0; /系数 pp3 char UK; /当前时刻的 D/A 输出 char EK; /当前时刻的偏差 char UK_1,UK_2,UK_3,EK_1,EK_2,EK_3;/前 3 次采样时刻的控制量和偏差 /* 主函数 */ void main(void) TMOD = 0 x01; time = 10; /定时 10ms t0_h = (65536-500*time)/256; /计算定时器 0 初值 t0_l = (65536-500*time)%256; t0_l = t0_l+20; /修正因初值重装而引起的定时误差 TH0 = t0_h; TL0 = t0_l; IT1 = 1; /边沿触发中断 EX1 = 1; /开外部中断 1 ET0 = 1; /开定时中断 0 TR0 = 1; /启动定时器 TC = 1; DAC_1= 0 x80; /D/A 清零 UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; EK=EK_1=EK_2=EK_3=0; EA = 1; /开总中断 while(1); /* 函数名：INT1 15 功能 ：1 号外部中断服务程序 参数 ：无* 返回值：无 * */ void int1() interrupt 2 using 2 float i,j; DIN0 = 1; /读取输入前，先输出高电平 if(DIN0) /判同步信号到否 UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; EK=EK_1=EK_2=EK_3=0; DAC_1 =0 x80; /D/A 输出零 TC=1; else TC-; /判采样周期到否 if(TC=0) EK = ADC_7-128; /采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量 i=EK*KK0; /计算 i=EK*KK0+EK_1*KK1+EK_2*KK2+EK_3*KK3) i=i+EK_1*KK1; i=i+EK_2*KK2; i=i+EK_3*KK3; j=UK_1*PP1; /计算 j=UK_1*PP1+UK_2*PP2+UK_3*PP3 j=j+UK_2*PP2; j=j+UK_3*PP3; i=i-j; /i-j if(i0) /判控制量是否溢出，溢出赋极值 if(i=127) UK=127; else UK=(char)i; else if(i-128) UK=-128; else UK=(char)i; 16 DAC_1=UK+128; /D/A 输出控制量 UK_3=UK_2; /控制量递推 UK_2=UK_1; UK_1=UK; EK_3=EK_2; /偏差递退 EK_2=EK_1; EK_1=EK; TC=TK; /采样周期变量恢复 /* 函数名：Timer0 功能 ：定时器 0 中断服务程序 参数 ：无 返回值：无 */ void Timer0()