《计算机控制》课程设计报告无波纹最小拍控制设计

1、计算机控制课程设计报告题目: 无波纹最小拍控制设计 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0802301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)(sssgp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

2、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.21 设计任务与理

3、论基础设计任务与理论基础.41.1 设计任务.41.2 离散化设计方法.42 控制器的设计与仿真控制器的设计与仿真.52.1 无波纹最小拍控制器的设计.52.1.1 z 传递函数 g(z) .52.1.2 闭环 z 传递函数 (z) .52.1.3 z 传递函数 d(z) .62.1.4 数字控制器的差分方程形式.62.2 simulink仿真.73 电路设计电路设计.93.1 器件选择.93.2 电路设计.103.2.1 总电路图.103.2.2 8051 外围电路.103.2.3adc0809 模块.113.2.4 dac0832 模块外围电路.124 流程图与程序流程图与程序.124.1

4、 流程图.124.2 源程序代码.135 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.171 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)(sssgp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)te(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

5、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：)()()(sgshzzgc)()1 ()(11ssgzzsgsezccts)()(1)()()(zgzdzgzdz)(1)(sgsezzgcts)(1)()(1)(zzzgzd得 d(z

6、)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:111101103.68(1 0.718)( )(1)(1)(1 0.368)tsezzg zzss 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+

7、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)ezzzniiimiiizazbzezuzd101)()()()()()(10zuzazezbzuiniiimii)()()(10ikuaikebkuniimii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.

8、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+0.7

9、18) (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11110.382(1 0.368)(1 0.586)( )1zzzu zz可得差分方程形式( )0.382 (1)0.364 (2)0.082 (3)(1)u ke ke ke ku k2.2 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

10、如下所示：1.离散化后斜坡输入图 2-22.e(k)波形图 图 2-33.u(k)波形图图 2-44.离散化后输出图 2-55.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，数模转

11、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 3-13.2.2 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

12、下图所示图 3-23.2.3adc0809 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 3-33.2.4 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 3-44 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

13、 4-1 所示：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

14、地址#define dac_1 xbyte0 x7ff2 /定义 d/a 第一路的 io 地/*全局变量定义*/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*10msint tc; /tk 的变量float kk0=0.382 /系数 kk0float kk1=-0.364 /系数 kk1float kk2=0.082; /系数 kk2float kk3=

15、0; /系数 kk3float pp1=-0.407; /系数 pp1float pp2=-0.593; /系数 pp2float pp3=0; /系数 pp3char 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 10mst0_h = (65536-500*time)/256; /计算定时器 0 初值t0_l = (65536-500*time)%256;t0_l =

16、 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 1et0 = 1; /开定时中断 0tr0 = 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; /

17、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*pp

18、3 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; 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() interrupt 1 using 1s