微机控制课程设计

目录1 课题简介2 总体方案设计3 硬件电路设计4 控制算法设计5 软件编程设计6 实验结果与分析7 小结 最少拍无波纹控制系统设计1 课题简介由于最少拍无波纹控制系统模拟连续系统要求的参数准确，但在实验电路中的元器件自身参数的不准确性，及受温度或其它因素的影响，很难做到参数的准确，特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定，输出波形易出现失真，很难得到理想的结果，多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型，这种仿真模型构建方法相对简单，仅用比例积分、一阶惯性和传输函数数学模块搭建，可避免参数的不准确性。最少拍无纹波数字控制器，要求具有以下特点：（）准确性。对特定的参考输入信号在到达稳态后系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号即采样点上的输出不存在稳态误差。（）快速性。在各种使系统在有限拍内到达稳态的没计中系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。（）稳定性。数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。在采样点上的输出不存在稳态误差，但在采样点间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系统。若在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差，则这系统为无波纹最少拍控制系统。它们各有自己的优点，也都存在一些不足。最少拍无纹波数字控制系统在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差，但是它的响应速度相对较慢最少拍无纹波控制系统，其控制算法都是依据被控对象的准确的数学模型 G(z)来确定的。2 总体方案设计设计要求：根据题目要求，设计无波纹最小拍控制器。采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要求系统在单位速度信号输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控制器用51单片机经0809采集计一个模拟量并转化为数字量在单片机内的最少拍无波纹控制算法输出数字量再经过0832转化为模拟量输出，对被控对象进行控制。最少拍无波纹控制器的设计理论： 图1 数字控制系统原理图数字控制器模拟化设计方法是基于连续系统的设计，并在计算机上采用数字模拟方法来实现，选用的采样周期须足够小，且采样周期的变化对系统影响不大。 如图1 的数字离散控制系统中，GC(S)为被控对象，其中 H(S)= (1-e-TS)/S 代表零阶保持器，D(Z)代表被设计的数字控制器，它是由单片机来实现的，D(Z)的输入输出均为离散信号。上面图1示计算机控制系统框图中：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 采样周期广义对象的脉冲传递函数为： G(z)=Z (1)系统闭环脉冲传递函数为： (z)= （2）系统误差脉冲传递函数为： e(z)=1-(z)= (3)数字控制器脉冲传递函数： D(z)= (4)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 G(z)= Z=（1-z-1）Z 和D(z)=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1、闭环Z传递函数(z)的确定；由图1：误差E(z)的Z传递函数为： e(z)=1-(z)=数字控制器脉冲传递函数：D(z)= 从上式看出，D(z)的求取主要取决于(z), 或者e(z)，(z)的选择根据稳、准、快等指标设计。下面分析系统闭环传递函数(z)的确定。1、设计最少拍无纹波控制器的必要条件无纹波系统要求系统的输出信号在采样点之间不产生纹波，必须满足：对阶跃输入，当t NT时，有y(t)=常数；对速度输入，当t NT时，有y(t)=常数；即G (s)中至少要有一个积分环节，对加速度输入，当t NT时，有y(t)=常数；G (s)中至少要有两个积分环节，这样，被控对象G (s)必须有能力给出与系统r(t)相同且平滑的输出。因此，设计最少拍无纹波控制器时，针对输入对象必须有足够的积分环节。2、最少拍无纹波系统确定(z)的约束条件要使系统的稳态输出无纹波，就要求稳态时的控制信号u(k)为常值（包括0）。控制信号u(k)的Z变换：如果系统经过l个采样周期到达稳态，无纹波要求：设广义对象由要使u(k)为常数， u(k)必须是z-1的有限多项式。故闭环传递函数必须包含G(z)的全部零点及滞后环节。令w为G(z)所有零点数（包括单位圆内、单位圆上以及单位圆外的零点），b1,b2, ,bw为其所有零点。由此可见，有纹波和无纹波设计唯一区别在于：有纹波设计时，(z)包含G(z)单位圆上和单位圆外的零点；无波纹设计时，(z)包含G(z)单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点。3、最少拍无纹波控制器确定(z)的步骤确定(z)必须满足下列条件：被控对象中含有足够的积分环节，以满足无纹波系统设计的必要条件；按选择(z)按和选择e(z)；F1(z)、 F2(z)阶数的确定 3 硬件电路设计 1）、控制电路整体原理图如下所示2）、各部分元件接口电路（1）AD转换器AD转换器选ADC0809。 ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，内部具有锁存功能，故不需要加地址锁存器。ALE引脚为地址锁存信号，高电平有效，三根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，故将ALE接高电平。系统只需要一路信号，选择IN-0通道作为输入。START引脚为AD转换启动信号，高电平有效，程序控制。AD采样值为系统的偏差信号，故选择ADC0809的为5V。由于ADC0809的时钟所限，AD转换器的时钟信号，由单片机P2.1引脚产生，将CLOCK引脚接单片机的P2.1引脚。由单片机产生500khz的时钟信号。单片机晶振频率选择为12MHz。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。设计将其接单片机P2.2引脚由程序读入，判断AD是否转换完成。AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连。设计AD转换器的接口电路如图所示：AD转换器接口电路（2）DA转换器DA转换器选择DAC0832。DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,可以直接（与51单片机相连。参考电压 ，直接与供电电源相连。因为输出的C(t)可能有负的情况，故选择DAC为双极性电压输出。DA输出值为： DAC0832的引脚接法下：CS：片选端，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，直接接高电平。WR2：DAC寄存器写选通控制端，直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，直接接地。WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将输入数据锁存到DAC寄存器，将该引脚与单片机P2.3引脚相连，由程序控制DA转换的时间。D10D11：与单片机P0口相连。 设计DA转换器的接口电路如图所示：DA转换器接口电路（3） 单片机最小系统图如下所示：4. 控制算法设计 最小无波纹控制器设计（1）控制对象的离散化：带零阶保持器的广义被控对象为 则 （2）无波纹最小拍控制器D(z)根据G(z)，对象有一个纯滞后因子v=1,一个零点b1=-0.568，两个极点，单位速度信号输入q=2,所以v=1，w=1，m=1，q=2，由于G(z)有一个不稳定的极点z=1，准确性条件中包含了稳定性条件，故可降一阶设计，则设系统闭环脉冲传递函数为，设系统误差传递函数为由，及，待定系数法得，则系统闭环脉冲传递函数为，系统误差传递函数为，由得设计的数字控制器为： （3）、数字控制器差分方程将得系统的差分方程为：5.软件编程设计根据D(z)的计算机控制递推算式，画出程序流程图，最后编写程序。（1） 最少拍无波纹数字控制器程序流程图图（2）程序： ORG 0000HAJMP MAIN1ORG 000BHAJMP IT0S ORG 0013H ；INT1中断服务程序入口 AJMP PINT1MAIN1: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H MOV IE,#82H MOV R7,#00H SETB P1.0 SETB TR0 MOV R1,#70H ； 置数据区首地址 SETB IT1 ；INT1 为边沿触发方式 SETB EA ；开中断 SETB EX1 ；允许INT1中断 LOOP: SJMP LOOPIT0S: INC R7 CJNE R7,#0AH,NEXT CLP P1.0 MOV R7,#00HNEXT: MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H RETI ORG 2100H ;中断服务程序入口PINT1：PUSH PSW ;保护现场PUSH ACCPUSH DPLPUSH DPHMOV DPTR,#7FF8H ；指向IN0通道 MOVX A,DPTR ；启动A/D转换 MOV R1，A ；采集第一个数INC R1MOVX A,DPTR ；采集第二个数 MOV R1，AINC R1MOVX A,DPTR ；：采集第三个数 MOV R1，APOP DPHPOP DPLPOP ACCPOP PSWRETI MOV R2,#70H ；滤波程序 MOV R3,#71H MOV R4,#72H MF3 : MOV A,R2 ;R2,R3时，交换R2，R3 MOV A,R2 XCH A,R3 MOV R2,AMF1： MOV A,R3 ;R3R4否？ CLR C SUBB A,R4 JC MF2 MOV A,R4 XCH A,R3 MOV R4,A MOV A,R3 CLR C SUBB A,R2 JNC MF2 MOV A,R2 MOV R3,A ;中值在R3中 CLR CDATA CONS0 DB ? ; 存放系数a0 CONS1 DB ? ; 存放系数a1 CONS2 DB ? ; 存放系数a2 CONS3 DB ? ; 存放系数a3 CONS4 DB ? ; 存放系数a4 GEC1 DB ? ; 存放给定值 GEC2 DB ? ; 存放输出反馈值 SUB1 DB ? ; 存放偏差值e（k） SUB2 DB ? ; 存放偏差值e（k-1） SUB3 DB ? ; 存放偏差值e（k-2） MID1 DB ? ; 存放系数a2.e(k) MID2 DB ? ; 存放系数a3.e(k-1) MID3 DB ? ; 存放系数a4.e(k-2)MID4 DB ? ; 存放系数a0U(k-1)MID5 DB ? ; 存放系数a1.U(k-2) OUTP1 DB ? ; 存放系数U(K) OUTP2 DB ? ; 存放系数U(K-1) OUTP3 DB ? ; 存放系数U(K-2) MOV A,(GEC2) CLR C SUBB A,(GEC2) :计算偏差e(k) MOV (SUB1),A MOV A,(CONS0) ;取a0 MOV B,(OUTP2) ；取u（k-1） MUL A,B ；a0u(k-1) MOV (MID4),A ; a0u(k-1)存入MID4单元 MOV A,(CONS1) MOV B,(OUTP3) MUL A,B MOV (MID5),A MOV A,(CONS2) MOV B,(SUB1) MUL A,B MOV (MID1),A MOV A,(CONS3) MOV B,(SUB2) MUL A,B MOV (MID2),A MOV (MID1),A MOV A,(CONS4) M