計算機(jī)控制課程設(shè)計串聯(lián)校正控制器設(shè)計

1、計算機(jī)控制課程設(shè)計報告題目:串聯(lián)校正控制器設(shè)計 姓名: 學(xué)號: 2013年12月2日計算機(jī)控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號班 級學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目串聯(lián)校正控制器設(shè)計設(shè)計時間2013年 11 月 25 日 至 2013 年 12 月 2 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)：（按照所選題目內(nèi)容填寫）設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，用根軌跡法設(shè)計串聯(lián)校正控制器，并采用模擬法設(shè)計數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足：系統(tǒng)阻尼比為0.5，無阻尼自然振蕩頻率2rad/s。方案設(shè)計：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計；2. 選擇元器件,完成電路設(shè)計，控制器采用MCS-51系列單片機(jī)(傳感器、功率接口以及人機(jī)接口等可以暫不涉及)

2、，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。報告內(nèi)容:1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期的選擇、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；2. 元器件選型，電路設(shè)計，以及繪制的Protel原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序；4. 設(shè)計工作總結(jié)及心得體會；5. 列出所查閱的參考資料。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2013年 11 月 25 日1、 模擬控制器的設(shè)計原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，單位負(fù)反饋。根據(jù)題目要求，系統(tǒng)阻尼比為0.5，無阻尼自然振蕩頻率2rad/s。因此期望主導(dǎo)極點為用Matlab繪制其根軌跡如下圖所示：圖 1 校正前系統(tǒng)的

3、根軌跡由上圖可知，期望閉環(huán)極點位于根軌跡左側(cè)，可以采用相位超前校正，使根軌跡左移。由圖可見，開環(huán)幾點之一，正好位于期望閉環(huán)極點垂線下的負(fù)實軸上，如果令校正裝置的零點設(shè)在緊靠這個開環(huán)極點的左側(cè)，另，這樣做往往能增大成為閉環(huán)主導(dǎo)極點的可能性。運(yùn)用Matlab編程求出對應(yīng)于零點的極點為，因此校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 其根軌跡如圖2所圖 2 校正后系統(tǒng)根軌跡根據(jù)幅值條件，可以求出系統(tǒng)工作于點的值為30。原系統(tǒng)及校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖3所示：圖 3 原系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖 4 校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可以看出原系統(tǒng)階躍響應(yīng)單調(diào)遞增變化，為過阻尼的情況；校正后系統(tǒng)衰減震蕩，為欠阻尼，由其根軌跡曲線可以看出，工

4、作點近似位于期望閉環(huán)極點上。至此，模擬控制器設(shè)計完畢。2、 器件選取及電路設(shè)計（1） 控制器選用STC89C52單片機(jī)，晶振選取12MHz。P0口作為普通I/O口使用，故需接入上拉電阻。（2） A/D選用ADC0804。其分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100us，輸入電壓范圍為05V。芯片內(nèi)部具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。（3） D/A選用DAC0832。其為8位D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為1us。數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖、或直通方式，以便適用于各種電路的需要。工作電壓為+5V+15V，基準(zhǔn)電壓為范圍為-10V+10V。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，可通過外接運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)

5、換成電壓。由上述器件可以計算出，完成一次A/D、D/A轉(zhuǎn)換所需要的時間為101us；單片機(jī)每執(zhí)行一條指令所需時間為0.083us，給定采樣時間0.01s，即10000us，足夠完成程序運(yùn)算與A/D、D/A的轉(zhuǎn)換。原理圖如圖5所示：圖 5數(shù)字控制器原理圖3、 數(shù)字控制器的設(shè)計以及被控對象的離散化由模擬控制器到數(shù)字控制器的實現(xiàn)有許多方法，比如一階前向差分、一階后向差分、雙線性變換法、零極點匹配法等等?？紤]到雙線性變換發(fā)使用方便且有一定精度，故選取其作為離散化方法。上一步選取了采樣周期為0.01s，由Matlab運(yùn)算得到離散化之后的控制器脈沖傳函為：求得相應(yīng)的差分方程為：。被控對象采用零階保持器離散

6、化，最終的離散化系統(tǒng)方框圖如圖6所示：圖 6 離散系統(tǒng)方框圖用simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：圖 7 simulink仿真圖圖 8 離散系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線與原系統(tǒng)相比，相差不大。下面給出離散化前后的bode圖：圖 9 離散化前后bode圖上圖中，實線為離散前系統(tǒng)的bode圖，點畫線為離散化之后的bode圖，可以看出，兩者差別不大，可以滿足要求。4、 程序設(shè)計程序設(shè)計的總體思路是采用外部中斷的方式進(jìn)行。首先啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序程序。在中斷服務(wù)程序中，進(jìn)行控制量的求取，然后再次啟動A/D轉(zhuǎn)換，中斷返回。D/A采用直通工作方式，

7、即只需要變化數(shù)據(jù)輸入端，其模擬輸出就緊跟著變化。由于D/A的轉(zhuǎn)換時間為1us，而A/D轉(zhuǎn)換時間為100us，故D/A芯片有足夠的時間完成轉(zhuǎn)換。使用keil開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序編寫調(diào)試。并且利用keil的軟件調(diào)試模式進(jìn)行計算中斷服務(wù)子程序運(yùn)行一次所需要的時間。進(jìn)而可以計算出每個周期內(nèi)采樣、轉(zhuǎn)換與計算輸出所需的總時間，然后與確定的采樣周期相比較，確定采樣周期的選取是否符合條件。軟件調(diào)試界面如圖10所示：圖 10 Keil軟件調(diào)試模式分別對進(jìn)入中斷以及中斷返回進(jìn)行計時，即可得到中斷服務(wù)子程序運(yùn)行時間，如圖11所示：圖 11 中斷服務(wù)程序運(yùn)行時間由上圖可以計算中斷服務(wù)程序運(yùn)行的時間為：A/D轉(zhuǎn)換時間為10

8、0us，故每周期總共用時為：故所選取的采樣周期0.01s完全足夠其完成采樣與運(yùn)算。程序流程圖如下所示：圖 12 軟件流程圖5、 心得體會本次課程設(shè)計持續(xù)一周時間，在這一周內(nèi)，我完成了從系統(tǒng)設(shè)計到控制器的具體編程實現(xiàn)等工作，有很大的收獲。這次課設(shè)將以前學(xué)過的很多知識串聯(lián)起來，形成整體化、系統(tǒng)化的思想，提高了我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，也提升了我們有目的地查閱資料解決問題的能力。當(dāng)然，這次課程設(shè)計更多的是讓我識到自己的不足。作為一名大學(xué)生，掌握的知識確很過時，會用的只是課程中講過的一些很簡單很基本的芯片和控制器，不能與最新的只知識接軌，知識結(jié)構(gòu)的老化，對所學(xué)專業(yè)認(rèn)識的淺顯，紙上談兵，缺

9、乏實踐經(jīng)驗等等都是我們亟待解決的問題。在以后的學(xué)習(xí)工程中，我一定會積極拓寬自己的視野，多接觸一些新知識，豐富自己，提升自己。我們的路還有很長。6、 參考文獻(xiàn)1 張晉格主編.自動控制原理.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.2 劉建昌等主編.計算機(jī)控制系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，2009.3 張毅剛主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2004.4 張晉格，陳麗蘭主編.控制系統(tǒng)CAD基于MATLAB語言.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.5 郭天祥編著.51單片機(jī)C語言教程.北京：電子工業(yè)出版社，2009.7、 附錄Matlab程序：程序一：%校正前根軌跡clc,clear,close a

10、ll;num=1;den=conv(1 1 0,1 4);G=tf(num,den);figure(1);rlocus(G);T=feedback(G,1);figure(2);step(T,20);程序二：%求取極點位置clc,clear,close all;x=-20:0.001:-1;angs=angle(-1+sqrt(3)*1i-(-1.2)*180/pi-90-angle(-1+sqrt(3)*1i-0)*180/pi-angle(-1+sqrt(3)*1i-(-4)*180/pi-angle(-1+sqrt(3)*1i-x)*180/pi;p=spline(angs,x,-180

11、)程序三：%校正后根軌跡還未進(jìn)行離散化clc,clear,close all;G=tf(1 1.2,conv(1 1 0,1 9 20);figure(1);rlocus(G)s=-1+sqrt(3)*1i;k=abs(s*(s+1)*(s+4)*(s+5)/(s+1.2)Gc=tf(k 1.2*k,conv(1 1 0,1 9 20);%期望極點處開環(huán)傳函T=feedback(Gc,1);%期望極點處閉環(huán)傳函figure(2);step(T,20)程序四：%運(yùn)用雙線性變換，進(jìn)行離散化,判穩(wěn)？clc,clear,close all;num=1 1.2;den=1 5;Gs=tf(num,den

12、);%連續(xù)系統(tǒng)的控制器Gz=c2d(Gs, 0.01, tustin) %雙線性離散化之后的控制器Gp=tf(30,conv(1 1 0,1 4);%連續(xù)系統(tǒng)的被控對象傳函Gpz=c2d(Gp,0.01,zoh);%采用零階保持器離散化之后的被控對象脈沖傳函sysc=Gs*Gp;sysd=Gz*Gpz;%畫出離散化前后系統(tǒng)的bode圖，比較性能差異figure(1);bode(sysc, r-, sysd, b-. );axis();grid;T=feedback(sysd,1);%離散系統(tǒng)的閉環(huán)傳函（單位反饋）figure(2),step(T,20);C源程序： #include #incl

13、ude #define uint unsigned int sbit ADRD=P20; sbit ADWR=P21; sbit INTR=P22; static float ek=0; static float ek_1=0; static float uk=0; static float uk_1=0;/以上四個變量存儲用于計算每次輸出的值 void Init() P0=0X00;/由于P0為D/A的輸入口，而D/A為直通工作方式故初始化其為0 P1=0x00;/P1口為讀A/D的數(shù)據(jù)口，將其初始化為全1 P2=0xff;/P2口控制A/D的讀寫端，將其初始化為全1，使A/D芯片不工作 P

14、3=0xff; void main() Init(); /初始化 注意，一定要先聲明變量，在進(jìn)行其他操作，否則會出現(xiàn)許多奇怪的錯誤 TMOD=0x01;/設(shè)置定時器TO為工作方式1 TH0=(65536-10000)/256; TL0=(65535-10000)%256; PT0=1;/設(shè)置定時器中斷0優(yōu)先級最高 EA=1; /開總中斷 ET0=1;/開外部中斷0 TR0=1;/啟動定時器T0 while(1);/主程序進(jìn)入循環(huán)，等待中斷產(chǎn)生 void T0_time(void) interrupt 1 TH0=(65536-10000)/256;/重裝初值 TL0=(65535-10000)%256; INTR=1;/先將其置高，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，其將變?yōu)榈碗娖?/下面啟動A/D轉(zhuǎn)換 ADWR=1; _nop_(); ADWR=0;/拉低WR，啟動A/D轉(zhuǎn)換 _nop_(); ADWR=1; while(INTR); /IN