Smith預(yù)估器控制設(shè)計【計算機課程設(shè)計專用】

1、計算機控制課程設(shè)計報告題目: Smith預(yù)估器控制設(shè)計 姓名: 學(xué)號: 2014年11月28日計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號班 級學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目Smith預(yù)估器控制設(shè)計設(shè)計時間2014年 11 月 21 日 至 2014 年 11 月 28 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)：被控對象為，T=0.5s，畫出系統(tǒng)框圖，采用PID控制，設(shè)計Smith數(shù)字預(yù)估器。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(傳感器、功率接口以及人機接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實現(xiàn)單片機上的控制算法。報告內(nèi)容:1. 控制系

2、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：2014年 11 月 20 日Smith預(yù)估器控制設(shè)計1、 實驗?zāi)康耐ㄟ^混合仿真實驗，學(xué)習(xí)并掌握用于具有純滯后系統(tǒng)的純滯后補償控制（Smith預(yù)估器控制）的設(shè)計及其實現(xiàn)。并且比較無Smith預(yù)估器控制系統(tǒng)與帶Smith預(yù)估器控制系統(tǒng)的區(qū)別，總結(jié)Smith預(yù)估器的作用效果。最后通過Proteus進行單片機仿真實驗，學(xué)

3、習(xí)如何通過單片機、AD和DA進行控制，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合。2、 實驗內(nèi)容 被控對象為，T=0.5s，畫出系統(tǒng)框圖，采用PID控制，設(shè)計Smith數(shù)字預(yù)估器。得到控制系統(tǒng)的性能曲線，并對仿真結(jié)果進行分析。然后對元器件進行選型、設(shè)計電路，繪制原理圖并且在單片機上編程實現(xiàn)控制算法。最后總結(jié)工作及心得體會。3、 控制系統(tǒng)仿真1. 純滯后補償控制方案設(shè)計已知純滯后負反饋控制系統(tǒng)方框圖，如下：圖1 純滯后負反饋控制系統(tǒng)方框圖其中D(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，為對象傳遞函數(shù)，其中包含純滯后特性，純滯后時間常數(shù)=12s。系統(tǒng)特征方程為： =0 （1）由于閉環(huán)特征方程中含有項，產(chǎn)生純滯后現(xiàn)象，且=0.5s，所以具

4、有大滯后環(huán)節(jié)，采用常規(guī)的PID控制會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生振蕩。為了改善系統(tǒng)特性，引入Smith預(yù)估器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含有項。帶Smith純滯后補償?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)框圖如下所示：圖2 帶Smith純滯后補償?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)框圖上圖所示ZOH為零階保持器，傳遞函數(shù)為：，并且有：（l為大于1的整數(shù)，T為采樣周期）由已知可知T=0.5s，則。2. 調(diào)節(jié)器D(z)的確定D(z)為負反饋調(diào)節(jié)器，由于本系統(tǒng)存在大滯后環(huán)節(jié)，所以選用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。使用擴充響應(yīng)曲線法對數(shù)字PID控制器進行參數(shù)整定。擴充響應(yīng)曲線法是在模擬PID控制器響應(yīng)曲線法的基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用到數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的方法。擴

5、充響應(yīng)曲線法是用于具有純滯后的一階對象，由前面分析和已知:，l=12，因此依據(jù)課本128頁表4.2擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)表選擇數(shù)字PID參數(shù)計算公式，由于，則選擇控制度為1.05，控制規(guī)律選定PI參數(shù)為：=1.15 =2.00所以有：0.048 12.00s則控制器的傳遞函數(shù)為： （2）將得到的模擬控制器用一階后向差分法離散化得到： （3）3. Smith補償器的確定 Smith純滯后補償?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)的框圖如下所示：圖3 帶Smith純滯后補償?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)框圖其中： （4） （5） （6） 令 ， 則 （7）Smith預(yù)估器（純滯后補償器）的框圖：圖4 Smith預(yù)估器的框圖 且

6、 可得 （8）故 （9）由上一步所得的數(shù)據(jù)：T=0.5s，解得如下數(shù)據(jù)：，則 (10) (11)由此可得到： (12)由此可見，Smith補償器的差分方程有項，即存在滯后12拍的信號，因此產(chǎn)生純滯后信號對純滯后補償控制是至關(guān)重要的。純滯后信號可以用存儲單元法近似產(chǎn)生。4. 采用Matlab系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)采用PI控制方法，用matlab下的Simulink工具箱搭建閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加以1V的階躍信號，PI控制器系數(shù)0.048，12s，取反饋系數(shù)為1，采樣時間為0.5s，仿真時間為500s。帶Smith預(yù)估補償器的仿真系統(tǒng)得到輸出曲線如圖所示：系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖為：圖5 帶Smith預(yù)估補償器的系統(tǒng)仿

7、真結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)仿真波形圖為：圖6 帶Smith預(yù)估補償器的系統(tǒng)仿真輸出曲線分析：采用帶Smith預(yù)估器控制的設(shè)計與傳統(tǒng)的PID控制設(shè)計相比，大大的減少了響應(yīng)曲線的超調(diào)，同時也加快了系統(tǒng)的響應(yīng)過程，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，達到了預(yù)期控制的目的。4、 電路設(shè)計及元件選型控制器部分需要AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器，反相器，運算放大器，單片機。1.AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809, ADC0809是一種逐次逼近式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，可以與單片機直接連接。它是由單一的+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，有CBA的編碼來決定所選的通道。ADC080

8、9完成一次轉(zhuǎn)換需100us左右，它具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到AT89C51單片機的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚珹DC0809可對05V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。逐次逼近式速度較高，比較簡單，而且價格也不是很高，因此是微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)中最為常用的一種A/D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計 ：圖7 ADC0809轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(1) 由于只需要一路信號，只選擇IN-0輸入，三根地址線固定接地，選擇IN-0通道。(2) 由于ADC0809需要500KHz的時鐘源，利用單片機AT89S52的ALE引腳輸出的脈沖信號其頻率為單片機工作晶振的六分之一，此處單片機采用12MHz的晶振，則需經(jīng)過4分頻后

9、供給ADC0809的CLK端。(3)START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，由程序控制，故與單片機的P2.0腳通過非門相連。(4)AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，有正負兩種情況，故選擇ADC0809的參考電壓為正負5V。(5)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC腳輸出高電平，此時單片機接收EOC信號，讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將EOC腳經(jīng)反相器與單片機的INT0腳相連。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機P0口相連，高低位依次相連經(jīng)以上分析，設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示：注意：ADC0809對輸入模擬量要求信號單極性，電壓范圍是0-5V，若信號太小，必須進行放大；輸入模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持

10、不變，若模擬量變化太快則需在輸入前加采樣保持電路。2.DA轉(zhuǎn)換器 DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,它能直接與51單片機相連，其主要特性為：a)分辨率為8位b)電流輸出，穩(wěn)定時間為1sc)可雙緩沖輸入，單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入,單一電源供電DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計：(1)參考電壓選擇+5V，直接與供電電源相連。(2)選擇DAC為單緩沖方式，即輸入寄存器工作于受控狀態(tài)，DAC寄存器處于直通狀態(tài)，由DAC0832的引腳特性，將DAC0832的引腳接發(fā)如下：CS：片選端，低電平有效，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。WR2：

11、DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，故直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1；第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機P2.1口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時間。(3) DA的八路輸入，與單片機的P1口相連，高低位依次對應(yīng)。經(jīng)以上分析，設(shè)計DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示：圖8 DAC0832轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計3.控制器設(shè)計 控制器選擇AT89C51單片機，根據(jù)ADC0809和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計單片機與AD、DA的接口電路如下圖所示：圖9 單片機接口電路設(shè)計總控制電路圖如下

12、圖所示：圖10 總控制電路圖5、 單片機程序設(shè)計1. 單片機程序算法（1） 將帶Smith預(yù)估器控制的控制器的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為差分方程： (13)由于已求得，根據(jù)可得 (14)則控制器的算法為： (15) (16)（2） 系統(tǒng)采樣周期T=1.5s的確定在51單片機通過選用定時器T0工作在方式1下來實現(xiàn)，即16位定時計數(shù)器。單片機采用12M晶振，則其機器周期為1us。由公式： (17)得到初值X=40536=0x9E58再通過10次循環(huán)實現(xiàn)T=0.5s的采樣延時。2. 程序流程圖圖11 主程序流程圖圖12 中斷服務(wù)程序流程圖3. AT89C51單片機的C語言源程序#include<reg51

13、.h>#include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define ADC0809 P1;/P0為AD的數(shù)據(jù)接口；sbit ST=P30;/ADC0809 轉(zhuǎn)換開始sbit OE=P31;/ADC0809 輸出使能sbit EOC=P32;/ADC0809 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志#define DAC0832 P2/P1為DA的數(shù)據(jù)接口；sbit wr=P33; /DAC0832寫sbit rd=P34;/DAC0832讀uchar C1K0,C1K1,C1K2,C1K3,C1K4,C1K5,

14、C1K6,C1K7,C1K8,C1K9,C1K10,C1K11,C1K12; /C1(K)C1(K-12)uchar CK0,CK1;/分別為k,k-1時刻smith預(yù)估器的輸出uchar UK0,UK1;/分別為k，k-1時刻的控制器的輸出uchar EK0,EK1;/分別為k,k-1時刻的AD的輸入uint i=0;uchar in0=0; /系統(tǒng)輸入采樣void delay(uchar time) /延時uchar i,j;for(i=0;i<time;i+)for(j=0;j<110;j+);uchar adin()/AD采集IN0uchar value;OE=0;EOC=

15、1;ST=0;delay(10);ST=1;delay(10);ST=0;while(!EOC);delay(10);OE=1;delay(1);value=ADC0809 ;OE=0; return value;main() C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K4=C1K5=C1K6=C1K7=C1K8 =C1K9=C1K10=C1K11=C1K12=0; /系統(tǒng)初始化 UK0=UK1=0; CK1=0; EK1=0; wr=0; rd=0; ST=0; OE=0; TMOD=0X01; /定時器0控制方式1,16位的定時器計數(shù)器 TL0=0X58; /定時器初始化； TH0=0X

16、9E; TR0=0; /關(guān)閉T0計時； DAC0832=0x00; /先清零DA； TR0=1; /定時器開始計時，20ms轉(zhuǎn)換一次； ET0=1;/開定時器0中斷 EA =1; /總中斷開； while(1); /等待中斷 void inter_timer0()interrupt 1/定時器0溢出中斷； EA=0; i+; /循環(huán)10次 實現(xiàn)0.5S采樣 if(i=10) in0=adin();EK0=in0-UK0;C1K0=1.7*UK1+0.9*C1K1; CK0=1.7*UK1+0.9*C1K0-C1K12; C1K12= C1K11; C1K11= C1K10; C1K10= C1

17、K9; C1K9= C1K8; C1K8= C1K7; C1K7= C1K6; C1K6= C1K5; C1K5= C1K4; C1K4= C1K3; C1K3= C1K2; C1K2= C1K1; C1K1= C1K0; UK0=UK1+0.052*EK0-0.05*EK1-0.052*CK0+0.05*CK1; UK1=UK0; CK1=CK0; EK1=EK0;DAC0832=UK0;i=0; TL0=0X58; TH0=0X9E; /延時50ms EA=1;6、 設(shè)計工作總結(jié)采用帶Smith預(yù)估器控制的設(shè)計與傳統(tǒng)的PID控制設(shè)計相比，大大的減少了響應(yīng)曲線的超調(diào)，同時也加快了系統(tǒng)的響應(yīng)過

18、程，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，達到了預(yù)期控制的目的。不帶Smith預(yù)估器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線波動非常大，加上補償器后效果有所改觀。我后來又改善了調(diào)節(jié)方式，舍棄了D的控制。我直接采用PI控制器參數(shù)計算，且得到了很好的響應(yīng)曲線。對Smith預(yù)估器的理解通過使用Matlab仿真，更加直觀的看到了Smith預(yù)估器的作用效果，看到了系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線變得更加穩(wěn)定平滑。而運用keil軟件可以發(fā)現(xiàn)編程實現(xiàn)的過程中，運用差分方程賦值比較的簡便思想，更加精確且能夠很好的做到實時響應(yīng)。運用Proteus搭建硬件仿真平臺時，模擬芯片的選用很關(guān)鍵，ADC0809并沒有仿真MODLE，我采用了ADC0808很好的替代了原有模型，同理LM324的選用也同樣存在此問題，同時ADC0809對輸入模擬