无波纹最小拍控制设计.doc

(完整word版)无波纹最小拍控制设计

《计算机控制》课程设计报告

题目: 无波纹最小拍控制设计

2010年7月5日

《计算机控制》课程设计任务书

专 业

学 生

题 目
无波纹最小拍控制设计
设计时间
2010年 7月 5 日 至 2010 年7 月 11 日 共 1 周
设计要求
设计任务：采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要求系统在单位斜坡输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控制器。

方案设计：
1. 采用Matlab完成控制系统的建立、分析、设计和模拟仿真；
2. 选择元器件,完成电路设计，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. 控制算法采用单片机汇编语言编程实现（应通过编译，无语法错误）。

报告内容:
1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式；
2. 元器件选型过程，电路设计过程，绘制的Protel原理图；
3. 算法流程图，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：
2010年 7 月 5 日

方案设计：

一、题目分析
根据题目要求，设计无波纹最小拍控制器。采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要求系统在单位斜坡输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控制器。

二、控制系统设计
1、采样周期T的选择
当取采样周期T=1s时，经过理论验证，三拍后系统无波纹，达到无波纹输出时t=3s，满足控制器要求。
当取采样周期T=0.1s时，满足控制器要求且三拍系统无波纹，达到无波纹输出时t=0.3s，但考虑到AD转换器和DA转换器的转换时间和速率有限，故在满足性能要求的前提下，这里选择采样周期T=1s。

2、无波纹最小拍控制器的计算
（1）带零阶保持器的广义被控对象为通过matlab，z变换程序为
np=[0 0 10];
dp=[1 1 0];
hs=tf ( np, dp);
hz=c2d(hs,1)
结果为
Transfer function:
3.679 z + 2.642
----------------------
z^2 - 1.368 z + 0.3679

Sampling time: 1
即

（2）无波纹最小拍控制器D（z）
根据G(z)，对象有一个纯迟后因子v=1,一个零点，两个极点，单位速度信号,所以q=1，则闭环脉冲传递函数为

由

得系数，，则系统脉冲传函为

误差脉冲传函为

由得设计的控制器为

3、无波纹最小拍控制系统框图

控制系统整体框图

4、无波纹最小拍控制系统Matlab仿真

通过Matlab观察阶跃输入响应输出程序如下

num=[0.382 -0.364 0.0824];
den=[1 -0.407 -0.593];
dz=tf ( num, den,-1);
sys1=dz*hz;
sys2=feedback(sys1,1);
step(sys2,20)
输出曲线如下

由图可见，3拍后输出跟上输入，可实现最小拍控制，T=1s满足要求。
5、无波纹最小拍控制系统simulink仿真
仿真结果为：
（１）系统输入及系统输出曲线c(t)图形如下：

（2）系统误差e（t）曲线如下：

（3）控制器输出u（k）曲线如下：

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，最后控制器输出恒定（），因此系统输出不会产生波纹，调节时间为。
将得系统的差分方程为：

三、硬件电路设计及元件选型
控制器部分由AD转换器，DA转换器和AT89C51单片机组成。模数转换芯片采用ADC0809，数模转换芯片采用DAC0832。

系统结构总图

1、AD转换器
AD转换器选ADC0809, ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，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，高电平有效，三根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，故将ALE接高电平。
系统只需要一路信号，选择IN-0通道作为输入。
START脚为AD转换启动信号，高电平有效，程序控制。AD采样值为系统的偏差信号，故选择ADC0809的为5V。
由于ADC0809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P2.1。由单片机产生500khz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，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。设计将其接单片机P2.2脚由程序读入，判断AD是否转换完成。AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连。

设计AD转换器的接口电路如图所示：

AD转换器的接口电路

2、DA转换器
DA转换器选择DAC0832,DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,可以直接与51单片机相连。参考电压 ，直接与供电电源相连。
因为输出的C（t）可能有负的情况，故选择DAC为双极性电压输出。DA输出值为：

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，由程序控制DA转换的时间。
D10~D11：与单片机P0~P7相连。

电路图如下：

DA转换器的接口电路
3、控制器
控制器选择AT89C51单片机，根据ADC0809和DAC0832的特性，及上述分析，设计单片机与AD、DA的接口电路如下图所示：

单片机选择12MHZ晶振，按键复位模式。

四、 程序流程图及源程序
1、流程图如下：
定时器初值重装装
CLK=~CLK
中断返回
A/D时钟程序
采样周期是否到
采样周期
变量加1
采样中断服务程序
开始
主程序
初始化
等待中断
N
Y

中断返回
定时器初值重装
D/A输出u(k)
采样变量赋新值
采样周期变量初始化
A/D采样
计算u(k)

2、定时器T0的初值计算

设：需要装入T0的初值为X，则有：

X化为十六进制，即X=0x3cb0
T0的初值为 TH0=0x3c; TL0=0xb0;

3、源程序及注释如下：
#include<reg51.h>
sbit start=P2^0; // AD启动信号
sbit CLK=P2^1; // AD时钟信号输出口
sbit EOC=P2^2; // AD转换完成信号
sbit DA_W=P2^3; // DA转换信号
unsigned char ad_data ; // AD采样值
unsigned char count=0; //定时标记量
char e; //定义当前采样值
char u; //定义DA输出量
char u0=0; //
char u1=0; //
char e0=0; //
char e1=0; //前二次采样值和前二次控制值
float temp; //设置指针

void AD() // AD采样函数
{ start=0; //
start=1; // 启动AD转换器，开始转换
start=0; //
while(EOC==0); // 转换未结束，空循环
ad_data=P0; // 转换结束后，读取AD输出值
}
void TimeInitial() // 定时器中断初始化函数
{
IP=0x08; //设置中断优先级，定时器1为高优先级
TMOD=0x11; //定时器1和定时器0均采用方式一
TH0=0x3c; //设置定时器0的初值
TL0=0xb0; //
TH1=0xff; //设置定时器1的初值
TL1=0xfb; //
EA=1; //开放所有中断
ET0=1; //允许T0溢出中断
TR0=1; //启动定时器0
ET1=1; //允许T1溢出中断
TR1=1; //启动定时器1
}
void main() //主函数
{
TimeInitial(); //
start=0; //启动信号为0
DA_W=0;
P1=0x80;
DA_W=1; //控制器初始输出为零
while(1); //空循环，等待中断
}
void t1(void )interrupt 1 using 1 //定时器0中断函数
{
TH0=0x3c; //
TL0=0xb0; //重装初值
if (count==20) //
{
count=0; //
AD(); //一秒后，读取AD采样值
e=ad_data-128; //采样实际偏差值
temp=0.407*u1+0.595*u0+0.382*e-0.364*e1+0.0824*e0; //差分方程
if(temp>0) //当前输出值大于零
{
if(temp>=127) //
u=127; //判断是否溢出，溢出取极值
else u=(char)temp; //控制器输出值
} //
else //当前输出值小于零
{
if(temp<=-127) //
u=-127; //判断是否溢出，溢出取极值
else u=(char)temp; //控制器输出值
}
//
P1=u+128; //DA输出值
u0=u1; //控制量递推赋值
u1=u; //
e0=e1; //偏差量递推赋值
e1=e; //
DA_W=0; //
DA_W=1; //上升沿DA输出
}
else count++; //定时不到20次，即不到一秒，继续定时
}
void clk(void) interrupt 3 using 0 // 定时器1中断函数
{
TH1=0xff; //
TL1=0xfb; //重装初值
CLK=~CLK; //产生时钟信号
}

五、 设计工作总结及心得体会：
经过多天的努力，这次计算机控制课程设计已基本结束，在这一段时间中，我们收获良多。由于考试时间与课程设计时间安排有冲突，我们的时间很紧，前期准备不足。这导致我们刚开始的上机设计难以进行，浪费了很多时间，整个小组都没有一个明确方向。后来，在老师的指导下，经过我们多方查找资料，终于明确了工作方向，分工合作，相互帮助，最终完成了这次课程设计。
在这次课程设计中，我们学到了很多设计数字控制系统的思想与方法，如matlab仿真并利用simlink仿真。应用了计算机控制课程上学到的知识，还用到了自动控制原理、单片机原理及应用、模拟电子技术中的相关知识，给我们提供了一个将所学的课程联系在一起，并应用于实践的机会。

六、参考文献
1、张毅刚 主编. 单片机原理及应用 高等教育出版社，2003.12
2、李铁桥，张虹 主编 计算机控制理论与应用 2005，07
3、赵广元 编著 MTATLAB与控制系统仿真实践 北京航天航空大学出版社 2009.08
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