计算机控制课程设计最小拍无波纹

1、计算机控制课程设计陈述欧阳歌谷（20力.。盍。题目：最小拍控制设计姓名：学号：7月4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最小拍控制设计设计时间6月27日至年7月4日共1周设计要求设计任务：设单位反响线性定常离散系统的连续部分和零阶坚持器的Gp（s） = -Gg-1-严传递函数辨别为呛+1）,s ,采样周期T=0.1s,设计数字控制器）,要求系统在单位斜坡输入时 实现最小拍无波纹控制。计划设计1.完成控制系统的阐发、设计：2选择元器件，完成电路设卜 控制器采取J1CS51系列収片机（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編程实现单片机上的控制

2、算法。陈述内容：控制系统仿真和设讣步调.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：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法度：4设计工作总结及心得体会：5列出所査阅的参考资料。指导教师签字：系（教研室）主任签字：6月27日、题目阐发根据题目要求，设单位反响线性定常离散系统的连续部分和零10 1 _ e-TxGp（s） = Gz（5）=阶坚持器的传递函数辨别为灾+ 1）, S ,采样周期T=0.1s,设计数字控制器D,要求系统在单位斜坡输入时实现 最小拍无波纹控制。欧阳歌谷创编2021年2月二、设计最小拍控制器1、控制系

3、统总体介绍最小拍闭环控制系统包含给定值，输出值，D/A转换环节， 数字控制器，被控对象，零阶坚持器等环节。在数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值 的变更，最少拍控制就是为满足这一要求的一种离散化设计办法。 所谓最少拍控制,就是要求闭环系统对某种特定的输入在最少个采 样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式: 式中N是在可能情况下的最小正整数。这一形式标明闭环系统的 脉冲响应在N个采样周期后变成0,从而意味着系统在N拍之内 达到稳态。2、控制系统框图及闭环工作原理图1控制系统框图最小拍双通道采样的闭环系统框图如图1所示，在该系统中对 给定值r进行D/A转换采样,获

4、得离散化的r(z),并且对输出值c(t) 也进行D/A转换，获得c(z),然后计算有e(k) =c(k)r(z)o D(z)为计 算机控制系统的脉冲传递函数，U(z)为输出的控制量，然后经过 A/D转换后获得模拟控制量U对包含零阶坚持器的被控量进行 控值进而达到要求的最小拍控制的目的。3、最少拍无纹波系统控 Gp(s) =丄 制算法设计5(5 + 1)(1)带零阶坚持2021年2月器的广义被控对象为Gp(5)通过matlab, z变换法度为 np=0010;dp=l 1 0;hs=tf ( np, dp);hz=c2d(hs,0.1)结果为Transfer function:0.04837 z

5、 + 0.04679zA2- 1.905 z +0.9048Sampling time:0.1 seconds即无波纹最小拍控制器D (z)根据G，对象有一个纯迟后因子V=l-个零点2心67,两个R =Az极点，输入函数为单位斜坡信号“，-m=2,贝0闭环脉冲传递函数为得系数/1=L266, /2=-758,则系统脉冲传函为=1.266厂+0.466却+0.733尸误差脉冲传函为(?) = (1-* )2(1 +0.733/) = l-1.267z_,-0.466r2 +0.733z由 小得设计的控制器为2683(z-0.6986)(z-0.9048)26.183r-41.982z + 16.

6、552D(z)二=s(z-l)(z+0.733)z2-0.267-0.733(5)4、无波纹最小拍控制系统simulink仿真图2控制系统整体框图仿真结果为：(1 )系统输入及系统输出曲线c(t)图形如图3所示：图3系统输入及系统输出曲线c(t)(2)系统误差e (t)曲线如图4所示：图4系统误差e (t)曲线控制器输出u (k)曲线如图5所示：图5控制器输出u (k)曲线通过仿真曲线看出：控制器D (z)满足设计要求，系统在第 三拍之后系统达到无差,输出响应从第三个采样周期开始完全跟踪 输入，且没有波纹。最后控制器输出恒定(u伙) = 0),因此系统输 出不会产生波纹，调节时间为金。将一帀得

7、系统的差分方程为：“伙)=0.267“伙-1) + 0.733“ 伙-2) + 2683e 伙)-41.98%伙-1) + 16.552e 伙 一 2)三、硬件电路设计及元件选型1、AD转换器选择AD0808由于51单片机年夜部分不带AD转换器，所以模拟量的收集就必 须靠A/D实现。我们选择8位精度的AD转换器AD0808o ADC0808 是8位逐次迫近型A/D转换器。它由一个8路模拟幵关、一个地 址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，内 部具有锁存功能，故不需要加地址锁存器。ALE脚为地址锁存信 号，三根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，故将ALE接 咼电平。STAR

8、T脚为AD转换启动信号，高电平有效，法度控制。AD采样值为系统的偏差信号，故选择ADC0808的Vref为5V。由于ADC0808的时钟所限，AD转换器的时钟信号，由单片机P2.1脚产生，将CLOCK脚接单片机的P2.1O由单片机产生300khz的时钟信号。单片机晶振可选择为12MHz。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，标明转换结束;不然，标明正在进行A/D转换。设计将其接单片机P2.2脚由法度读入判断AD是否转换完成。AD转换结果由P0 读入，故将AD转换器的输出与单片机P0 相连，高低位依次相连。图6 AD转换器硬件电路接线图DA转换器选择DAC0832。具有8位并行、中速（建立时

9、间lus）.电流型、昂贵（1020元）的特点。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，故直接接低。XFER:数据传送控制，低电平有效，故直接接地。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，故将该脚与单片机 P2.3 口相连，由法度控制DA转换的时间。D10D17:与单片机P0P7相连。图7 DA转换器硬件电路接线图3、控制器控制器选择AT89C51单片机，根据ADC0808和DAC0832的 特性，及上述阐发，设计单片机与AD. DA的接电路如下图

10、所 ZJo图8数字控制器硬件接线图4、被控对象如图9所示，左边的积分环节通过选取500K的输入电阻和2UF 的并联电容来实现，右边的放年夜器上并联了 R=500K和C=2uF实现时间常数 = 1S,然后再通过鸟=10实现放年夜系数Kp=10的 要求。图9被控对象实现硬件电路图图10整体实现硬件接线图四、法度流程图及源法度1、流程图主法度主要通过调用子法度实现系统初始化和变量初始化的 操纵，包含设定按时器的工作状态.按时器装初值、开按时中断、 启动按时器、D/A清零、变量清零等外容，完成上述操纵后就等待进入按时中断。主法度流程图如图11所示。图11主法度流程图按时器1中断办事法度实现的功能有：是

11、为AD转换提供脉 冲信号，流程图如图12所示。图12按时器1中断办事流程图按时器0中断办事法度实现了采样和计算输出控制量的功能。 首先检查是否到了采样周期，如果到了，就把输出清零、变量初始 化并给采样周期值，进行下一步的采样和计算，没到就就继续计时 等待采样周期到来。根据之前算得的公式计算出控制输出u(k),然 后检查控制量是否溢出，溢出了就取相应的最值。这之后输出控制 量。最后逬行控制量和偏差的递推和采样周期恢复，就前往了，流 程图如图13所示。图13按时器0中断办事流程图按时器T0的初值计算：机器周期：MTxlot,采样周期T=O.ls设：需要装入TO的初值为X,则有：X化为十六进制，BD

12、 X=Ox3cbOTO 的初值为 TH0=0 x3c; TLO=OxbO;2、源法度及注释#include说变量及其初始化sbit start=P2A0;/ AD 启动信号欧阳歌谷创编2021年2月1sbit CLK=P2A1;/ AD时钟信号输出口sbit EOC=P2A2;/ AD转换完成信号sbit DA_W=P2A3;/ DA转换信号sbit OE=P2A4;unsigned char ad_data ;/ AD 采样值unsigned char n=0;按时标识表记标帜量char e;界说以后采样值char u;界说DA输出量char u0=0;/char u 1=0;/char e

13、0=0;/char el=0;前二次采样值和前二次控制值float temp;设置指针AD采样函数void AD()start=O;/start=l;启动AD转换器，开始转换start=O;/while(EOC=0);转换未结束，空循环OE=1;ad_data=P0;转换结束后，读取AD输出值OE=0;1按时器中断初始化法度void Timelnitial()IP=0 x08;设置中断优先级，按时器1为高优先级TMOD=Ox21;1按时器1采取方法2,按时器0采取方法1THl=0 xd8;设置按时器1的初值TLl=0 xd &TH0=0 x3c;设置按时器0的初值TL0=0 xb0;EA=1;

14、开放所有中断ET1 = 1;允许T1溢出中断TR1 = 1;启动按时器1ETO=1;允许T0溢出中断TRO=1;启动按时器0主函数void main()TimelnitialQ;start=O;AD启动信号为0DA_W=0;Pl=0 x80;DA_W=1;控制器初始输出为零while(l);空循环，等待中断按时器0中断函数void T0(void )intenupt 1 using 1 TH0=0 x3c;TL0=0 xb0;if (n=2)重装初值n=0;AD();0.1s后，读取AD采样值e=ad_datal28;采样实际偏差值temp=0.267*u 1 +0733*u0+26 183*

15、e41 983*e 1 +16.552*e0;差分方程if(temp0)以后输出值年夜于零if(temp=127)欧阳歌谷创编2021年2月1u=127;判断是否溢出，溢出取极值else u=(char)temp;控制器输出值felse以后输出值小于零if(temp=127)u=127;判断是否溢出，溢出取极值else u=(char)temp;i控制器输出值fPl=u+12&/DA输出值u0=u1;控制量递推赋值ul=u;e0=el;偏差量递推赋值el=e;DA_W=O;DA_W=1;上升沿DA输出else n+;按时不到0.1 S,继续按时按时器中断函数void clk(void) int

16、errupt 3 using 0CLKCLK二CLK;产生时钟信号五、设计小结本次课程设计让我们进一步熟悉并掌握了数字控制器设计的一般 步调，以及使用MALAB、PROTEL. KEIL等软件逬行设计、阐 发、仿真的过程。在设计过程中遇到的一些问题，比方控制器设计 计划的选择，MATLAB仿真模型的建立、控制器法度的设计等， 在调试的过程中，遇到的冋题更多，调试的过程是一个让人思考的 过程，也是熟悉稳态办法和实践入手的好机会，顺着模块的顺序依 次排查接线，呈现问题，想出各种可能的情况，测试解决。经过此次的课程设计，我对所学过的知识在应用方廂有了初步 认识，并且学到很多扩展方面的知识，且再对课题

17、的仿真过程傍边, 能够熟练的使用Simulink软件。通过查资料了解了课本上没学到 的知识，也知道了 AT89C51与我们所学的80C51引脚，内部结构 以及用途上的不同。还选择了 ADC0808作为A/D转换器， DAC0832作为本系统的D/A转换器。通过模拟量经过输入通道进 入A/D转换器进行转换，传输到单片机内，通过编程，对所录入 的模拟信号进行编程，实现外扩电路的显示，以及D/A转换后传 输给执行器进行控制。经过此次的课程设计，我对所学过的知识在 应用方有了初步认识，并且学到很多扩展方的知识，且再对课 题的仿真过程傍边，能够熟练的使用Simulink软件。通过查资料 了解了课本上没学到的知识，也知道了 AT89C51与我们所学的 80C5