計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：超前滯后矯正控制器設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：10級(jí)自動(dòng)化2013年12月2日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)指導(dǎo)教師簽字：2013年11月25日系(教研室)主任簽字:學(xué)號(hào)班級(jí)學(xué)生指導(dǎo)教師題目超前滯后矯正控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2013年11月25日至2013年12月2日共1周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)：(按照所選題目?jī)?nèi)容填寫(xiě))13.超前滯后校正設(shè)計(jì)設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)”0,采用模擬設(shè)s(0.1s1)(0.01s1)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿(mǎn)足：速度誤差系數(shù)不小于100,相角裕度不小于40度，截止角頻率不小于20。方茶設(shè)計(jì)：完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；選擇元器件，完成電路設(shè)計(jì)

2、，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)，使用Protel繪制原理圖；編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。報(bào)告內(nèi)容：控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)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；元器件選型，電路設(shè)計(jì)，以及繪制的Protel原理圖；軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序；設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)；列出所查閱的參考資料。1.控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)100s(0.1s 1)(0.01s 1),采用模擬設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿(mǎn)足：速度誤差系數(shù)不小于100,相角裕度不小于40度，截止角頻率不小

3、于20。系統(tǒng)分析(1)使系統(tǒng)滿(mǎn)足速度誤差系數(shù)的要求：KV lim s?G(s) lim s 0s 01000.1s 1 0.01s 1100用MATLAB畫(huà)出G(s)100s(0.1s 1)(0.01s 1)的Bode圖為:100lR3ceaprngaMxlasacesanp。 o 。 o 0055-o 553T-Bode DiagramGm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s)10-1100101102Frequency (rad/s)10310480T-522 -由圖可以得到未校正系統(tǒng)的性能參數(shù)為：相角裕度0

4、1.58,幅值裕度Kg0dB0.828dB,剪切頻率為：c030.1rad/s,截止頻率為g031.6rad/s(3)未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線Step Response可以看出系統(tǒng)產(chǎn)生衰減震蕩。(4)性能分析及方法選擇系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不穩(wěn)定。在剪切頻率處對(duì)數(shù)幅值特性以-40dB/dec穿過(guò)0dB線。如果只加入一個(gè)超前校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)校正其相角，超前量不足以滿(mǎn)足相位裕度的要求，可以先繳入滯后，使中頻段衰減，再用超前校正發(fā)揮作用，則有可能滿(mǎn)足要求。故使用超前滯后校正。模擬控制器設(shè)計(jì)(1)確定剪切頻率cc過(guò)大會(huì)增加超前校正的負(fù)擔(dān)，過(guò)小會(huì)使帶寬過(guò)窄，影響響應(yīng)的快速性。首先求出幅值裕度為

5、零時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，約為g30rad/s,令cg30rad/s。(2)確定滯后校正的參數(shù)2T2110c 3rad/s,T2 0.33s,并且取得100.33rad/s,1 3s則滯后校正的控制器為Gc1(s)此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線為：0.33s 13s 1xlBavearhoaMBode DiagramGm = 16.9 dB (at 26.5 rad/s) , P m = 26.9 deg (at 8.73 rad/s) 10050-500050- 1 1xlowyavesaMP-27010 -210 -110 010 110 210 3Frequency (rad/s)1025 0 53 8 2-

6、112 - - -滯后校正后的性能參數(shù)為：相角裕度026.9,幅值裕度Kg0dB16.9dB,剪切頻率為：co8.73rad/s,截止頻率為go26.5rad/s系統(tǒng)仍需要進(jìn)行超前校正(3)確定超前校正的參數(shù)在圖中過(guò)(c,0dB)作-20dB/dec線，與原先的Bode相交，交點(diǎn)的角頻率為:13-T33rad/s, T3 0.3s14-T430rad/s,T4 0.03s超前矯正控制器的傳遞函數(shù)為：Gc2(s)0.3s 10.03s 1(4)超前滯后校正同時(shí)作用時(shí)系統(tǒng)的Bode圖:BodeDiagramGm=13.5dB(at62.1rad/s),Pm=48.4deg(at24.4rad/s)

7、medc esanp-270-103-253T-o 58 21 2101010101102Frequency (rad/s)10410相角裕度48.4 ,幅值裕度Kg0dB 13.5dB,剪切頻率為：c0 24.4rad/s,截止頻率為 g0 62.1rad/s校正后的系統(tǒng)性能已經(jīng)滿(mǎn)足了性能指標(biāo)要求。 (5)畫(huà)出校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線Step ResponseeaMWTrpmATime (seconds)I.LIEI.VKLLILLLELtiL.LLLL.LELLE|-*-LILLB.LL!LLLLLLIrfi!rrrrrFrtrSrirlrjrfdrfftfrrrirrifrfrfirrr

8、rFtilfi?rfft0000551-(6)設(shè)計(jì)好的控制器傳遞函數(shù)為:(0.33s1)(0.3s1)c(3s1)(0.03s1)用模擬法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器(1)模擬控制器離散化采用雙線性變換法。(2)采樣周期選擇取采樣周期T=因?yàn)榭紤]到A/D,D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)間以及單片機(jī)計(jì)算的時(shí)間，采樣時(shí)間不能選的太小，但是為了保證離散控制器的控制仍能滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求，采樣時(shí)間不能取得太大。取采樣周期為10ms,給程序運(yùn)行留下了足夠的時(shí)間，而且由后面可見(jiàn)控制效果仍滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，所以取采樣周期為10ms。(3)將模擬控制器離散化離散化后得脈沖函數(shù)為:Gc(z)O9715z21.882z0.9116z21.71

9、1z0.7119(4)被控對(duì)象離散化缶40.01287z20.03984Z0.007441離散化的被控對(duì)象為：Gp(z)一3-pz2.273z1.606z0.3329(5)繪制出離散系統(tǒng)的Bode圖BodeDiagramGm=9.11dB(at47.7rad/s),Pm=41.3deg(at24.4rad/s)100meacesanp80121070-36010-2IO-1100101Frequency (rad/s)10相角裕度041.3,幅值裕度Kg0dB9.11dB,剪切頻率為：c024.4rad/s,截止頻率為g041.3rad/s離散化的控制器仍舊滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)合理。(6)

10、離散系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：20.40.20.51Time (seconds)Step Response86 o o1.5(6)數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù):Gc(z)0.9715z21.882z0.91162z1.711z0.7119控制系統(tǒng)的編排結(jié)構(gòu)(1)編排結(jié)構(gòu)的選擇如果使用直接型編排結(jié)構(gòu)，如果控制器中任一系數(shù)存在誤差，則將使控制器所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)的變化，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。在控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用了超前滯后校正，所以采用串聯(lián)型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且任何一系數(shù)有誤差，不會(huì)使控制器所有的零極點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因?yàn)镚c(z)有復(fù)數(shù)零點(diǎn)，故可以寫(xiě)成Gc(z)0.9715*1 1.937z1 1.711z0.

11、9383z 220.7119z(2)轉(zhuǎn)換為差分方程的形式：可以通過(guò)一個(gè)比例環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，可以不用考慮。只需在設(shè)計(jì)好的控制器上加個(gè)比例因子即可。u(k)e(k)1.937e(k1)0.9383e(k2)1.711u(k1)0.7119u(k2)2.硬件電路設(shè)計(jì)2.1元器件選擇(1)控制器選擇選才?8051單片機(jī)，外接晶振為2MHz.(2)A/D選擇選才IADC0809該AD有8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s,(時(shí)鐘為640KHz時(shí))，130s(時(shí)鐘為500KHz時(shí))；單個(gè)+5V供電，模擬輸入電壓范圍為0到5V,不需要零點(diǎn)和滿(mǎn)課度校準(zhǔn)；內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘，所以需要外接時(shí)鐘，時(shí)

12、鐘從單片機(jī)的ALE引腳引出。在經(jīng)過(guò)兩個(gè)D觸發(fā)器分頻，從而達(dá)到500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。D觸發(fā)器選擇74LS174A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為130s,應(yīng)該能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。(3)D/A選擇選才?DAC0832分辨率為8位；可單緩沖，雙緩沖或者直接數(shù)字輸入；只需要在滿(mǎn)量程下調(diào)整線性度；單一電源供電+5V至15V;可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。輸出電壓值為：Uout口電路的設(shè)計(jì)(1)A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)將AD轉(zhuǎn)換的ADDA,ADDB,ADDC!地，選擇IN0鎖存器。EOC接，轉(zhuǎn)換結(jié)束則輸出1,否則輸出為0;OE接，選擇是否輸出數(shù)據(jù)。OE=0輸出高阻態(tài)，OE=1輸出數(shù)字量；ST接，轉(zhuǎn)化開(kāi)始信號(hào)。由1變零轉(zhuǎn)換開(kāi)始；IN0接輸

13、入的模擬數(shù)據(jù)e(t);IN1-IN7懸空；Clock接分頻器SUN7474的輸出端，輸入500Hz時(shí)鐘信號(hào)；Vref(+)接+5V,Vreft(-)接地，VCC接電源,GND接地；ALE地址所存，上跳沿所存，可以接在口。D0-D7接單片機(jī)的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)D0-D7接單片機(jī)的，數(shù)字量輸入；將CSWR1,WR2,XFER,腳接地；ILE引腳接+5V,Vref選擇+5V,GND接地；此時(shí)DAC0832處于直通工作方式，一旦有數(shù)字量輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。(3)8051單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)：接D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字輸入端；接A/D轉(zhuǎn)化數(shù)字輸出端；接A/D轉(zhuǎn)換ST端；接A/D轉(zhuǎn)換OE端；接A/D

14、轉(zhuǎn)換EOC端；外接2MHZ的時(shí)鐘電路輸入到時(shí)鐘端XTAL1,XTAL2;外接復(fù)位電路到RET硬件電路圖VCC:intputU12612GNDIN-0msb2-12-2IN-12-32-4IN-22-52-6IN-32-7lsb2-8IN-4EOCIN-5ADD-AIN-6ADD-BADD-CIN-7ALEref(-)ENABLESTARTCLOCKref(+)2728127345169OE610CLOCADC089VCCU4A421A1CA13915A6GND14A719一A318一A420A217A88A5VCCC2Y12MHzC3EOC111219loutlIout2RfbVrefILEW

15、R2GNDR1IsbDIQDI1DI2DI3DI4DI5DI6msbDIGNDVCCR2C124232522STA11A22GNDVCCS1SWPB3.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法流程圖WR115,P10PGD,P11pa,P12P(2,P13P03,PHNetLabel284,P15P05,PBP(6,P17P(7INT1PDINT0P2IP2,T1PZ,T0PZP：5,EA/VPP6P7X1X2,RESETRXDTXDRDALE/PWRPSE【U283119189圭8051A3-3A44aS5A66739D138D2/37D3：36D435D5金34D6133D732D8/21ST22OE23EO

16、C24252Q2728101130ALEU3DAC082GNDVCCGNDALE7D1/6D2。5D3。4D416D515D614D7713D8/CSQXfeaGNDD1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6卜CLKMRU?321110974_S74131446571215CLOCKT=feedback(G,1);step(T);開(kāi)始(2)程序編寫(xiě)#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitST=P2A0;sbitOE=P2A1；sbitEOC=P2A2;系統(tǒng)的階躍響應(yīng)程序num1=100;den1=conv(10,

17、conv(1,1)G=tf(num1,den1);2 .校正后系統(tǒng)的bode圖程序：num1=conv(33100,1);den1=conv(1,conv(31,conv(10,conv(1,1)margin(num1,den1);3 .校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線程序：num1=conv(33100,1);den1=conv(1,conv(31,conv(10,conv(1,1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G,1);step(T)4 .校正后離散系統(tǒng)的bode圖程序num1=conv(1,1);den1=conv(31,1);GC1=tf(num1,den1);GC1GZ1=c2d(GC1,tustin