计算机控制系统课程设计

1、计算机控制课程设计报告题目:超前滞后矫正控制器设计姓名：学号：10 级白动化2013年12月2日计算机控制课程设计任务书学 号班 级学生指导教师题目超前滞后矫正控制器设计设计时间2013年11 月25日 至 2013 年12 月2 日 共1 周设计要求设计任务：(按照所选题目内容填写)13.超前滞后校正设计设单位反馈系统的开环传递函数为G(s) =100,采用模拟设计法设计数字控制器，使s(0.1s + 1)(0.01s + 1)校正后的系统满足：速度误差系数不小于 100,相角裕度不小于40度， 截止角频率不小于 20。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

2、，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:2013年11月25日1.控制系统分析和设计1.1实验要求100设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)=,采用模拟设s(0.1s 1)(0.01s 1)

3、计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小丁100,相角裕度不小丁 40度，截止角频率不小丁 20。1.2系统分析(1)使系统满足速度误差系数的要求：-100KV = lim s *G(s) = lim100s 0s 也 0.1s 1 0.01s 1100 用 MATLAB 出 G(s)=的 BoddS 为:s(0.1s 1)(0.01s 1)100-150-90500-50-100Bode DiagramGm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s)-270 -110-135-180-22501031

4、0101102Frequency (rad/s)410由图可以得到未校正系统的性能参数为:相角裕度丫0=1.58二 幅值裕度Kg°dB=0.828dB ,剪切频率为：与c0 =30.1rad /s,截止频率为og0 =31.6rad /s(3) 未校正系统的阶跃响应曲线Step Response0 02468101214Time (seconds)8642 1 8 6 42 k k k k 1111 oooo eaMpmA可以看出系统广生哀减震荡。(4) 性能分析及方法选择系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值 特性以-40dB/dec穿过0dE。如果只加

5、入一个超前校正网络来校正其相角， 超前 量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正 发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。1.3模拟控制器设计(1) 确定剪切频率c七过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为 GOg =30rad /s,令Oc 2g =30rad / s。(2) 确定滞后校正的参数。2 =1=1 与c =3rad /s, T2=0.33s,并且取得 P =10T2 10二、1 = = = 0.33rad / s, T = 3sTiT2则滞后校正的控制器为Gc1(s)0.33s 13

6、s 1此时系统的响应曲线为:10050-50-100-135-180-225-150-9010010310-110Bode Diagram Gm = 16.9 dB (at 26.5 rad/s) , P m = 26.9 deg (at 8.73 rad/s)10 110 2Frequency (rad/s)-27010xlopvesah-24滞后校正后的性能参数为:相角裕度 =26.9',幅值裕度 Kg°dB=16.9dB ,剪切频率为：coc0 =8.73rad /s, 截止频率为cog0 =26.5rad /s系统仍需要进行超前校正(3) 确定超前校正的参数在图中过(

7、oc , 0dB)作-20dB/dec线，与原先的Bodeffi交，交点的角频率为:-3= 3rad/s, T3 =0.3s4 = 一 = 一 = 30rad / s ,T4 = 0.03s超前矫正控制器的传递函数为:Gc2(s)=0.3s 10.03s 1(4)超前滞后校正同时作用时系统的Bode®:Bode DiagramGm = 13.5 dB (at 62.1 rad/s) , Pm = 48.4 deg (at 24.4 rad/s)100medc esanp-270 -210500-50-100-135-180-225-150-90-1310100101io2Freque

8、ncy (rad/s)10410相角裕度幅值裕度 Kg0dB =13.5dB ,剪切频率为：oc0 =24.4rad / s, 截止频率为 由g0 = 62.1rad / s校正后的系统性能已经满足了性能指标要求。(5) 画出校正后系统的阶跃响应曲线1.4Step Response1.210.80.40.20.511.522.53P A 0.6Time (seconds)(6) 设计好的控制器传递函数为：Gc(s) =(0.33s 1)(0.3s 1)(3s 1)(0.03s 1)1.4用模拟法设计数字控制器(1) 模拟控制器离散化采用双线性变换法。(2) 采样周期选择取采样周期T=0.01s

9、,因为考虑到A/D, D/A转换的时间以及单片机计算的时 问，采样时间不能选的太小，但是为了保证离散控制器的控制仍能满足性能指标 的要求，采样时间不能取得太大。取采样周期为10ms,给程序运行留下了足够的时间，而且由后面可见控制效果仍满足性能指标要求，所以取采样周期为10ms(3) 将模拟控制器离散化2 0.9715z1.882z 0.9116离散化后得脉冲函数为：Gc(z)=2z -1.711z 0.7119(4) 被控对象离散化2 , 离散化的被控对象为：Gp(z)=0.031287Z0.03984Z瞒07441pz3 -2.273z2 1.606z-0.3329(5)绘制出离散系统的Bo

10、deH100Bode DiagramGm = 9.11 dB (at 47.7 rad/s) , P m = 41.3 deg (at 24.4 rad/s)o)a5HTesanpo81o72-2-oooFrequency (rad/s)相角裕度丫。=41.3。，幅值裕度 KgodB =9.11dB ,剪切频率为：Oco =24.4rad / s, 截止频率为Ego = 41.3rad /s离散化的控制器仍旧满足性能指标的要求，设计合理。(6)离散系统的阶跃响应曲线：(6)数字控制器的脉冲传递函数:Gc(z)二0.9715z2 -1.882z 0.91162_z -1.711z 0.71191

11、.5控制系统的编排结构(1)编排结构的选择如果使用直接型编排结构，如果控制器中任一系数存在误差，则将使控制器 所有的零极点产生响应的变化，严重影响系统的性能。7-21 -1.937z0.9383z-J_21 -1.711z0.7119z在控制器设计时采用了超前滞后校正， 所以采用申联型结构比较简单，而且 任何一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。因为Gc(z)有复数零点，故可以写成 Gc(z) = 0.9715*(2)转换为差分方程的形式:0.9715可以通过一个比例环节实现，可以不用考虑。只需在设计好的控制器 上加个比例因子即可。u(k) =e(k) -1.937e(k -1

12、) 0.9383e(k -2) 1.711u(k -1)-0.7119u(k - 2)2.硬件电路设计2. 1元器件选择(1) 控制器选择选择8051单片机，外接晶振为2MHz.(2) A/D选择选择ADC0809该ADT 8路输入通道，8位A/D转换器，分辨率为8位，转换时间为100Ps,(时钟为640KHZ寸),130眺(时钟为500KHZ寸)；单个+5Vft电，模拟输入电压范围为0到5V,不需要零点和满课度校准；内部没有时钟，所以需要 外接时钟，时钟从单片机的ALE3I脚引出。在经过两个Dtt发器分频，从而达到 500KHZ勺时钟信号。丽虫发器选择74LS174 A/D转换时间为130肉

13、，应该能满足设计的要求。(3)D/A选择选择DAC0832分辨率为8位；可单缓冲，双缓冲或者直接数字输入；只需要在满量程下调整线性度；单一电源供电 +5/U+15V;可以满足设计的要求。输出电压值为：U out = 户out2 82.2电路的设计(1) A/D转换电路的设计将AD专换的ADDA,ADDB,AD岫，选择IN0锁存器。EO(gP2.2，转换结束则输出1,否则输出为0;OE® P2.1，选择是否输出数据。OE=0输出高阻态，OE=输出数字量;ST®P2.0,转化开始信号。由1变零转换开始；IN0接输入的模拟数据e(t);IN1-IN7悬:空；Clock接分频器SU

14、N7474输出端，输入500HZ寸钟信号;Vref(+)接+5V,Vreft(-) 接地，VC皴电源,GNEg地；ALEM址所存，上跳沿所存，可以接在 P2.O口D0-D7®单片机的 P1.0-P1.7;(2) D/A转换电路设计D0-D7接单片机的P0.0-P0.7 ,数字量输入；将CS WR1,WR2,XFER脚接地；ILE引脚接 +5V,Vref 选择 +5V,GN0g地；此时DAC083处于直通工作方式，一旦有数字量输入，就直接进入DACJ存器,进行D/A转换。(3) 8051单片机的电路设计：P0.0-P0.7 接D/A转换数字输入端；P1.0-P1.7 接A/D转化数字输

15、出端；P2.0 接A/D转换ST®P2.1接A/D转换。酬；P2.2接A/D转换EO硫；外接2MH灼时钟电路输入到时钟端XTAL1,XTAL2;外接复位电路到RET2.2硬件电路图VCCVCCr-GNDVCCC2C3GNDGNDVCC26U1IN-0msb2-127IN-12-22-328IN-22-42-512-6IN-32-72IN-4lsb2-83EOCIN-54IN-6ADD-AADD-B5ADD-CIN-7ALE21 A1<intput 725242316ref(-)ENABLE22 ST14 A717 A820 A2 /19 A3 *18 A4 jEOC12ref(

16、+)ADC009Y12MHzR1C19OESTARTCLOCK 10 CLOCGNDVCC3.用单片机实现控制算法3.1流程图2 1U4A4GNDCA139A11,P10A22P11A33P12A44,P13、A55P0A66P15A7 7,P0A8 8,P17U213153119184-11121918TINT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8051Iout1Iout2RfbVrefILEWR2WR16 D25 D3 ；4 D4-16 D515D6 ；14D77 13D87 D1msbDIDI1DI2DI3DI4DI5DI61CSXfePGD PG P(2 PCB Ne

17、tLabel PC5 P(6 P(739 D1 /38 D2 ,U3DAC03237 D336D435 D5 i34 D6 33 D7 y /GNDP2)P2IP2PZP21P：5P：6P721 STGND22 OE 23 Eoc245F2728RXD.TXD-ALE/P-PSEN10有30 ALE29VCCGNDALE346TT1314D1Q1-D2Q2D3Q3D4Q4-D5Q5D6Q6|CLK MRU?74.S174257To7215CLOCK开始初始化 开定时器Jif计时时间到10msV Y启动A/D转换«Nv转换结束Y*读AD计算u(k)D/A转换等待下次中断(2)程序编写#

18、include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ST=P2A0;sbit OE=P2A1；sbit EOC=P2A2; /A/D转换结束标志位void main()(float uk_1=0.0;float uk=0.0;float ek=0.0;float ek_1=0.0;/ 初始化 float ek_2; float uk_2; ST=0;OE=0; /输出高阻态/*定时器中断初始化*/TMOD|=0XF9;/设置T1工作在方式1, 16位定时器方式TH1=0x7E;TL1=0x

19、E0; / 装初值，定时 10ms EA=1;/开总中断 ET1=1;/ 开T1 中断 TR1=1;/启动定时器1 while(1) if(EOC=1) uk_2=uk_1; ek_2=ek_2; uk_1=uk; ek_1=ek;OE=1;/输出转换数据 ek=P1;/给单片机输入数据OE=0 ; /输出高阻态 uk=ek-1.937*ek_1+0.9383*ek_2+1.711*uk_1-0.7119*uk_2;/ 差分方程P0=(uchar)uk;/数据输入到D/A转换器while (EOC=0) ;/ 等待 A/D 转换结束 /*定时器中断处理 */void time(void) in

20、terrupt 1 using 1 TH1=0XF9;TL1=0x7E;/重装初值ST=1;ST=0;/开始下一次转换数据4. 设计总结与体会 4.1设计过程总结：(1) 首先用自动控制原理的知识，设计出满足要求的超前滞后校正控制器。(2) 对模拟控制器进行双线线性变换离散化。(3) 观察bode图，如果不符合性能指标，则调节采样周期或者直接重新设计模 拟控制器，直到性能指标满足要求。(4) 选择合适的编排结构，将设计好的控制器分为几个申联或者并联的控制 器，并将每个控制器转换为差分方程形式，便于编程序。(5) 选择单片机及A/D,D/A转换芯片，用protel画出实现控制器任务的最小系 统硬

21、件图。(6) 绘制控制算法流程图(7) 编程实现控制器的控制算法4.2心得体会在这次的设计过程中，我将整个控制器的设计过程都经历了一遍，包括应用自动控制原理的知识来设计超前滞后校正，并用MATLAB制Bode®应用用计算机控制系统的知识对设计好的模拟控制系统双线性变换，编程数字控制器，用 protel软件绘制硬件电路图，用visio绘制流程图，用Keil软件编写实现控制算 法的程序。对大学期间所学的内容巩固了一边，综合应用了专业课所学的知识， 而且熟悉了专业领域常用软件的使用， 收获很多，这次课设经验为我们以后的学 习工作打下了基础。设计中的不足之处是没有实际的硬件电路来验证自己设计的控制器的正确 性，没有显示出来实际的控制效果，希望有机会可以完整的做一套控制系统。5. 参考文献自动控制原理张晋格计算机控制系统设计课件马立勇单片机原路及应用 张毅刚附录1. 原系统的阶跃响应程序num1=100;den1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G