大林算法控制系统设计

0 扬州大学能源与动力工程学院 课程设计报告 题 目 大林算法控制系统设计 课 程 计算机控制技术课程设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 姓 名 学 号 1 第 一 部 分 任 务 书 2 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 一 课题名称一 课题名称 大林算法控制系统设计 二 课程设计目的二 课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容 是达到教学目标的重要环节 是综合性较强的实践教学环节 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容 培养学生的实践和实际动手能力 提高学生全面素质具有很 重要的意义 计算机控制技术 是一门理论性 实用性和实践性都很强的课程 课程设计环节应占有更加重要的 地位 计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程 它需要控制理论 程序设计 硬件电路设 计等方面的知识融合 通过课程设计 加深对学生控制算法设计的认识 学会控制算法的实际应用 使学 生从整体上了解计算机控制系统的实际组成 掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤 编程调试 为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础 三 课程设计内容三 课程设计内容 设计以 89C51 单片机和 ADC DAC 等电路 由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制 系统 1 硬件电路设计 89C51 最小系统加上模入电路 用 ADC0809 等 和模出电路 用 TLC7528 和运放 等 由运放实现的被控对象 2 控制算法 大林控制算法 3 软件设计 主程序 中断程序 A D 转换程序 滤波程序 大林算法控制程序 D A 输出程序等 四 课程设计要求四 课程设计要求 1 模入电路能接受双极性电压输入 5V 5V 模出电路能输出双极性电压 5V 5V 2 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号 3 每个同学选择不同的被控对象 510 0 51 5 1 0 81 1 0 41 ss G seG se ssss 88 10 5 0 81 0 41 0 41 0 51 ss G seG se ssss 58 1 52 1 0 21 0 81 0 21 ss G seG se ssss 55 12 0 81 0 31 0 81 0 21 ss G seG se ssss 3 4 对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现 s e 5 定时中断间隔选取 50ms 采样周期 T 要求既是采样中断间隔的整数倍 又满足 0 2 1 T 6 闭环系统时间常数按的被控对象最大时间常数选择 T 11 23 有关的设计资料可参考 计算机控制实验指导书 的相关内容 五 课程设计实验结果五 课程设计实验结果 1 控制系统能正确运行 2 有振铃和消除振铃的系统阶跃输出和控制器 六 进度安排六 进度安排 序号内容天数 1布置任务 熟悉课题要求0 5 2总体方案确定 硬件电路设计1 5 3熟悉实验箱及 C 语言开发环境 研读范例程序 1 4控制算法设计1 5软件编程 调试1 6实验1 7总结 撰写课程设计报告1 七 课程设计报告内容 七 课程设计报告内容 总结设计过程 写出设计报告 设计报告具体内容要求如下 1 课程设计的目和设计的任务 2 课程设计的要求 3 控制系统总框图及系统工作原理 4 控制系统的硬件电路连接图 含被控对象 电路的原理 5 软件设计流程图及其说明 6 电路设计 软件编程 调试中遇到的问题及分析解决方法 7 实验结果及其分析 8 体会 4 第 二 部 分 课 程 设 计 报 告 5 目目 录录 1 课程简介课程简介 7 1 1 程设计目的 7 1 2 程设计内容 7 1 3 程设计要求 7 2 方案设计 方案设计 8 2 1 控制系统整体方案 8 2 2 控制系统闭环工作原理 8 3 大林算法硬件电路设计大林算法硬件电路设计 8 3 1 A D 采样电路 8 3 2 D A 输出电路 10 3 3 给定对象硬件电路设计 11 3 4 总硬件图 11 4 控制算法设计控制算法设计 11 4 1 控制算法的原理 12 4 2 计算机实现的计算机推导公式 12 4 3 采样周期 13 5 软件编程设计 软件编程设计 13 5 1 主程序与中断流程图 13 5 2 部分控制程序代码 14 6 实验结果与分析 实验结果与分析 17 7 小结与体会 小结与体会 17 参考文献 参考文献 18 6 1 课题简介课题简介 1 1 课题目的课题目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容 是达到教学目标的重要环节 是综合性较强的实践教学环 节 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容 培养学生的实践和实际动手能力 提高学生全面素质 具有很重要的意义 计算机控制技术 是一门理论性 实用性和实践性都很强的课程 课程设计环节应占有更加重要 的地位 计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程 它需要控制理论 程序设计 硬件电 路设计等方面的知识融合 通过课程设计 加深对学生控制算法设计的认识 学会控制算法的实际应用 使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成 掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤 编 程调试 为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础 1 2 课题内容课题内容 设计以 89C51 单片机和 ADC DAC 等电路 由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈 控制系统 1 硬件电路设计 89C51 最小系统加上模入电路 用 ADC0809 等 和模出电路 用 TLC7528 和运 放等 由运放实现的被控对象 2 控制算法 大林控制算法 3 软件设计 主程序 中断程序 A D 转换程序 大林算法控制程序 D A 输出程序等 1 3 课题要求课题要求 1 模入电路能接受双极性电压输入 5V 5V 模出电路能输出双极性电压 5V 5V 2 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号 3 选择被控对象 T e s s s G s 50 150140 8 4 对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现 s e 5 定时中断间隔选取 50ms 采样周期 T 要求既是采样中断间隔的整数倍 又满足 0 2 1 T 6 闭环系统时间常数按的被控对象最大时间常数选择 T 11 23 7 2 2 大林算法控制系统方案设计大林算法控制系统方案设计 2 1 控制系统总体介绍控制系统总体介绍 rt te D Z U Z s e Ts 1G S C T 图 2 1 1 大林算法设计的闭环控制系统方框图 大多数工业对象具有较大的纯滞后时间 可以近似用一阶或二阶惯性环节加纯滞后环节来表示 其 传递函数为 一阶对象 NT e sT K sG s 11 二阶对象 NT e sT sT K s G s 1121 大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数 s 相当于一个纯滞后环节和一个惯 性环节相串联 即 NT e sT s s 1 1 并希望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同 其中为闭环系统的时间常数 纯 滞后时间与采样周期 T 有整数倍关系 N 1 2 2 2 控制系统闭环工作原理控制系统闭环工作原理 在本次大林算法控制系统中 系统先进行 A D 采样 将给定值采样值取到单片机内 之后单片机会 选择另外一路通道 进行输出值即反馈值的采样 将输出值采样到单片机内后 在单片机中进行差值 E K 计算 再通过单片机中的算法程序得到输出量 U K 再经过 D A 变换器 将输出结果作用于被控 对象 经被控对象的输出值又将作为反馈值被采样到单片机内 3 3 大林算法控制系统硬件电路设计大林算法控制系统硬件电路设计 3 1 A D 采样电路采样电路 该实验的 A D 采样硬件电路如图 3 1 所示 8 图 3 1 A D 采样硬件电路图 上图所示的是 ADC0809 与 8051 连接的硬件电路图 其中在 ADC0809 中 IN 6 IN 7 分别采样给定信 号和反馈信号 A D 转换器的引脚 A 接单片机的 P1 6 用于选择采样通道 控制计算机的定时器作为基准 时钟 初始化为 50ms 在第一次启动 A D 转换时 此时 P1 6 0 选择的 IN 6 采样的是给定信号 当采 样周期到时 此时 P1 6 1 同时在定时器中启动 A D 转换 此时采样的是反馈信号 给定信号和反馈信号 的采样值分别存储在程序的 RK 和 UK1 中 模数单元采用 ADC0809 芯片 主要包括多路模拟开关和 A D 转换器两部分 其主要特点为 单电 源供电 工作始终 CLOCK 最高可达 1200KHZ 8 位分辨率 8 个单端模拟输入端 IN0 IN7 TTL 电 平兼容等 可以很方便地和微处理器接口 通过三端地址译码 A B C 多路开关可选通 8 路模拟输入的任何一路进行 A D 变换 其中 IN1 IN5 的模拟量输入允许范围 0V 4 98V 对应数字量为 00H FFH 2 5V 对应 80H IN6 和 IN7 两 路由于接了上拉电阻 所以模拟量输入允许范围 5V 4 98V 对应数字量 00H FFH 0V 对应 80H 在设计过程中使用的 TD ACC 教学系统中的 ADC0809 芯片 其输出八位数据线以及 CLOCK 线已连 到控制计算机的数据线及系统应用时钟 1MCLK 1MHZ 上 其它控制线根据实验要求可另外连接 A B C STR OE EOC IN0 IN7 如图 3 1 2 所示 其中 IN6 和 IN7 可以测量 5V 5V 的量 主要是因为加了外部电路 如图所示 在 IN6 和 IN7 的 实际输入端其输入范围为 0 5V 在外围电路中 采用两个相同电阻分压的方式 因为给了一个5V 的 电压 当输入端为 5V 时 0809 的实际输入端为两者相加之和的一半 为 0V 在 0809 采样电压的范 围以内 但将该采样值取进单片机内后 其表示范围为 128 127 对应为 0 5V 的电压 所以我们需要 9 在程序里将采样值减去 128 以使采样值与设定值相对应 因此加了外部电路 0809 就可以采集 5 5V 的电压了 3 2 D A 输出电路输出电路 数模转换单元采用 TLC7528 芯片 它是 8 位 并行 两路 电压型输出模数转换器 其主要参数如 下 转换时间 100NS 满量程误差 1 2LBS 参考电压 10V 10V 供电电压 5V 15V 输入逻辑电平与 TTL 兼容 输入数字范围为 00H FFH 80H 对应于 0V 输出电压为 5V 4 96V 在课程设计过程中采用 的 TD ACC 教学系统中的 TLC7528 其输入数字量得八位数据线 写线和通道选择控制线已经接至控制计 算机的总线上 片选线预留出待实验中连接到相应的I O 片选上 如图 3 2 图 3 2 D A 输出电路 该芯片 TLC7528 可以双极性输出 但须在单片机中将 D A 的输出值加 128 后再交给 TLC7528 芯片 进行 D A 输出 10 3 3 给定对象硬件电路设计给定对象硬件电路设计 图 3 3 给定对象硬件电路图 如图 3 3 所示 为被控对象的硬件电路的设计图 在本次的课程设计中的 被控对象传递函数 其中比例部分由两个运算放大器组合实现 即 第一个运T e s s s G s 50 150140 8 算放大器的积分部分为 实现被控对象的第一部分 第二个运算放大器的积分部5010005001 分为 实现被控对象的第二部分 4010002002 3 4 总硬件图总硬件图 图 3 4 总硬件图 11 4 4 大林算法控制系统算法设计大林算法控制系统算法设计 4 1 控制算法的原理控制算法的原理 实验算法中 用脉冲传递函数近似法求得对应的闭环脉冲传递函数 T e s s s G s 50 150140 8 将代入 并进行 Z 变换 221250501 21 150501405025050 118 111 z e ze zcc ze ze e z D 式中 30705040 10 1 1 14050 1 e e c 933805040 10 1 4050150140150 2 e e ec 经计算 z z z z z z D 211 11 86470135301041531 36790128650135210 无振铃时 有 1 z24081 1 21 zcc 则 于是 z z z z z D 21 11 86470135301 3679012865010870 对应的递推公式为 k e k e k e k u k u k u2105401654400870286470113530 则程序中 kk kk kk10540265440108700 03864702135301 pp pp pp 4 2 计算机实现的计算机公式推导计算机实现的计算机公式推导 在 4 1 中得到了 D z 的最终表达式 而在本实验中 被控对象为 从而可以知道被控对象的时间常数为 增益 K 8 根据按最大时间常数取值 取 0 4s 将T 11 23 T 各个参数代入计算 KK0 0 077 KK1 0 9085 KK3 0 PP1 0 3495 PP2 0 95436 PP3 0 对应的递推公式 12 u k 0 3495u k 1 0 95436u k 2 0 u k 3 0 077e k 0 9085e k 1 0 e k 2 由于在二阶对象中是引起振铃的极点因子 令 z 1 于是可以得到 u k 0 0821u k 1 0 9179u k 2 0 0821e k 0 0303e k 1 0 0019e k 2 在程序中 KK0 0 0821 KK1 0 0303 KK2 0 0019 PP0 0 0821 PP1 0 9179 PP2 0 4 3 采样周期的选择采样周期的选择 在本实验中 定时中断间隔选取 50ms 采样周期 T 要求既是采样中断间隔的整数倍 又要满足 而由 被控对象的表达式可知 所以取 N 1 s T s50 取 5 5 大林算法控制系统软件编程设计大林算法控制系统软件编程设计 5 1 主程序与中断流程图主程序与中断流程图 主程序流程图 图 5 1 1 采样中断服务程序流程图 中断程序 同步信号到 采样周期变量减一 N D A输出清零 Y 变量初始化 采样周期变量赋值 采样周期变量 到 启动ADC0809 进 行A D转换 读取采样结 果 R k U k Y 计算E k 模拟量处理 延时U k 输出 采样周期量赋初值中断返回 N 图 5 1 2 5 2 部分控制程序代码部分控制程序代码 开始 系统初始化 定义 变量 主程序循环 等待中断 13 1 1 主程序部分源码 主程序部分源码 void main void TMOD 0 x01 t0 h 65536 15536 256 计算定时器 0 初值 t0 l 65536 15536 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 变量清零 EK EK 1 EK 2 EK 3 0 RK RK 1 RK 2 RK 3 0 bb 0 EA 1 开总中断 FLG 0 DOUT0 0 while 1 主程序的功能主要是 对定时器的赋值 开外中断 初始各变量 其中 while 1 是使主程序进入死 循环 等待中断到来 2 2 采样中断程序的部分源码 采样中断程序的部分源码 1 判断同步信号程序 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 RK RK 1 RK 2 RK 3 0 DAC 1 0 x80 D A 输出零 TC 1 2 双通道采样 TC 判采样周期到否 14 if TC 0 if FLG 0 RK ADC 7 128 采样当前的给定值 DOUT0 1 FLG 1 TC TK else FLG 0 UK ADC 7 128 采样当前的输出值 并计算偏差的变化量 DOUT0 0 EK RK UK EK 1 RK 1 UK 1 EK 2 RK 2 UK 2 EK 3 RK 3 UK 3 i KK 0EK KK1 EK 1 EK 2 KK2 j PP1 UK 1 PP2 UK 2 PP3 UK 3 UK G i j if UK 0 判控制量是否溢出 溢出赋极值 if UK 127 aa 127 else aa char UK else if UK 128 aa 128 else aa char UK DAC 1 bb 128 D A 输出控制量 bb aa UK 3 UK 2 控制量递推 UK 2 UK 1 UK 1 UK EK 3 EK 2 偏差递推 EK 2 EK 1 EK 1 EK 15 TC TK 采样周期变量恢复 双通道采样原理说明 由于在主程序中 将 DOUT2 置 0 已经选择了采样通道 IN6 第一次进行 A D 转换时 对给定信号进行采样 并将采样值存储在 RK 中 同时将 DOUT2 置 1 这时将 A D 通道 IN7 选中 等待采样周期到时 则采样反馈信号 并将采样值存储在 UK1 中 在变量定义中 已经将 P1 6 定义为 DOUT2 故改变 DOUT2 值就改变了 P1 6 中断程序实现的功能 对给定信号进行采样 并将采样值存储在 RK 中 同时将 DOUT2 置 1 将 A D 通道 IN7 选中 待采样周期到时 则采样反馈信号 并将采样值存储在 UK1 中 接下来便是计算偏差 E k 计算 U k 将值通过端口 DAC 1 在下一周期到来时输出 再次在该中断程序中 增加一个变量 bb1 用于存储前一周期的输出值 这样使得输出量能够延迟 1 秒输出 最后就是通过递推公式 计算实现输出 信号的不断优化