大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院課程設(shè)計報告題目：大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計課 程：計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計專業(yè)：電氣工程及其自動化班 級：姓 名：學(xué) 號：第一部分任務(wù)書計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書、課題名稱大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計二、課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)， 它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重 要的意義。計算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實用性和實踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地 位。計算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運(yùn)用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件

2、電路設(shè)計等 方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用，使學(xué)生從整 體上了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編程調(diào)試，為從事 計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)計以89C51單片機(jī)和ADC、DAC等電路、由運(yùn)放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機(jī)單閉環(huán)反饋控制 系統(tǒng)。1 .硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路 （用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運(yùn)放等）； 由運(yùn)放實現(xiàn)的被控對象。2 .控制算法：大林控制算法。3 .軟件設(shè)計：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、濾波程序

3、、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。四、課程設(shè)計要求1 .模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V ）,模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V ）。2 .模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號3 .每個同學(xué)選擇不同的被控對象:G(s)GG(s)G(s)5= 0.5se , (s 1)(0.8s 1)8. 1se (0.8s 1)(0.4s 1)5e 1.5s, (s 1)(0.2s 1)51se (0.8s 1)(0.3s 1)G(s)G(s)G(s)G(s)10 a 1.5se(s 1)(0.4s 1)8八 0.5se(0.4s 1)(0.5s 1)8 e 2s (0.8s

4、1)(0.2s 1)52se (0.8s 1)(0.2s 1)4 .對象的純延遲環(huán)節(jié)e s用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5 .定時中斷間隔選取 50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足 T (0.2 1)1 1 ,6.閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù) T按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。2 3有關(guān)的設(shè)計資料可參考計算機(jī)控制實驗指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計實驗結(jié)果1 .控制系統(tǒng)能正確運(yùn)行。2 .有振鈴和消除振鈴的系統(tǒng)階躍輸出和控制器。六、進(jìn)度安排序號內(nèi)容天數(shù)1布置任務(wù)，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計1.53熟悉實驗箱及 C語言開發(fā)環(huán)境，研讀范例程序，14控制算法設(shè)計15軟件編程，調(diào)試

5、16實驗17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計報告1七、課程設(shè)計報告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計過程，寫出設(shè)計報告，設(shè)計報告具體內(nèi)容要求如下：1 .課程設(shè)計的目和設(shè)計的任務(wù)。2 .課程設(shè)計的要求。3 .控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。4 .控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖(含被控對象)，電路的原理。5 .軟件設(shè)計流程圖及其說明。6 .電路設(shè)計，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。7 .實驗結(jié)果及其分析。8 .體會。第二部分課 程 設(shè) 計 報 告1 課程簡介 .71.1 程設(shè)計目的71.2 程設(shè)計內(nèi)容71.3 程設(shè)計要求 72 方案設(shè)計82.1 控制系統(tǒng)整體方案82.2 控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理 83大林算法硬件電路設(shè)計 81.1

6、A/D采樣電路81.2 D/A 輸出電路 .101.3 給定對象硬件電路設(shè)計 111.4 總硬件圖114控制算法設(shè)計111.5 控制算法的原理121.6 計算機(jī)實現(xiàn)的計算機(jī)推導(dǎo)公式 121.7 采樣周期135 軟件編程設(shè)計135.1 主程序與中斷流程圖 135.2 部分控制程序代碼 146 實驗結(jié)果與分析177 小結(jié)與體會17參考文獻(xiàn)181、課題簡介1.1 課題目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實踐教學(xué)環(huán) 節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì) 具有很重要的意義。計算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實用性

7、和實踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要 的地位。計算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運(yùn)用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件電 路設(shè)計等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用， 使學(xué)生從整體上了解計算機(jī)控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編 程調(diào)試，為從事計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。1.2 課題內(nèi)容設(shè)計以89C51單片機(jī)和ADC、DAC等電路、由運(yùn)放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機(jī)單閉環(huán)反饋 控制系統(tǒng)。1 .硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路(用 ADC0809等)和模出電路(用

8、 TLC7528和運(yùn) 放等)；由運(yùn)放實現(xiàn)的被控對象。2 .控制算法：大林控制算法。3 .軟件設(shè)計：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。1.3課題要求1 .模入電路能接受雙極性電壓輸入(-5V+5V ),模出電路能輸出雙極性電壓(-5V+5V )。2 .模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號 _805s3 .選擇被控又腭L：G( s) e , T(0.4s 1)( 0.5s 1)4 .對象的純延遲環(huán)節(jié)e s用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5 .定時中斷間隔選取 50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足 T (0.2 1)_11 ,6 .閉

9、環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù) T按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。2 32 .大林算法控制系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)總體介紹r(t)圖2.1-1大林算法設(shè)計的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間，可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來表示，其傳 遞函數(shù)為K一階對象：G(s) e s, NT ,Tis 1二階對象：G(s)e s, NT ,(T1s 1)(T2s 1)(s)相當(dāng)于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性大林算法的設(shè)計目標(biāo)是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù) 環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即不1s(s) -e s, NT,Ts 1并希望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象的純滯后時間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，純

10、滯 后時間與采樣周期 T有整數(shù)倍關(guān)系，(N=1,2. . 。2.2 控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林算法控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)先進(jìn)行A/D采樣，將給定值采樣值取到單片機(jī)內(nèi)，之后單片機(jī)會選擇另外一路通道，進(jìn)行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機(jī)內(nèi)后，在單片機(jī)中進(jìn)行差值 E(K)計算，再通過單片機(jī)中的算法程序得到輸出量U(K),再經(jīng)過D/A變換器，將輸出結(jié)果作用于被控對象。經(jīng)被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機(jī)內(nèi)。3 .大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 A/D采樣電路該實3的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示上圖所示的是 ADC0809與8051連接的硬件電路圖，其中在 ADC0809中，I

11、N-6、IN-7分別采樣給定信 號和反饋信號，AD轉(zhuǎn)換器的引腳 A接單片機(jī)的P1A6,用于選擇采樣通道。 控制計算機(jī)的定時器作為基準(zhǔn)時 鐘（初始化為50ms）,在第一次啟動 A/D轉(zhuǎn)換時，此時P1A6=0,選擇的IN-6 ,采樣的是給定信號，當(dāng)采樣 周期到時，此時 P1A6=1 ,同時在定時器中啟動 A/D轉(zhuǎn)換，此時采樣的是反饋信號，給定信號和反饋信號的 采樣值分別存儲在程序的RK和UK1中。模數(shù)單元采用 ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分。其主要特點(diǎn)為：單電源供電、工作始終 CLOCK最高可達(dá)1200KHZ、8位分辨率、8個單端模擬輸入端（IN0IN7 ）、TTL電

12、 平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。通過三端地址譯碼A、B、C多路開關(guān)可選通 8路模擬輸入的任彳S'一路進(jìn)行A/D變換。其中IN1IN5的模擬量輸入允許范圍：0V4.98V ,對應(yīng)數(shù)字量為00HFFH , 2.5V對應(yīng)80H ; IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻，所以模擬量輸入允許范圍：-5V+4.98V,對應(yīng)數(shù)字量 00HFFH , 0V對應(yīng)80H。在設(shè)計過程中使用的TD-ACC+教學(xué)系統(tǒng)中的 ADC0809芯片，其輸出八位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計算機(jī)的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應(yīng)用時鐘1MCLK （1MHZ）上。其它控制線根據(jù)實驗要求可另外連接（ A、B、C、STR、/OE、EO

13、C、IN0IN7 ）,如圖 3-1 （2）所示。其中IN6和IN7可以測量-5V+5V的量，主要是因為加了外部電路。如圖所示，在 IN6和IN7的實 際輸入端其輸入范圍為05V,在外圍電路中， 采用兩個相同電阻分壓的方式，因為給了一個 5V的電壓，當(dāng)輸入端為-5V時，0809的實際輸入端為兩者相加之和的一半，為 0V,在0809采樣電壓的范圍以內(nèi)。 但將該采樣值取進(jìn)單片機(jī)內(nèi)后，其表示范圍為-128127 ,對應(yīng)為05V的電壓，所以我們需要在程序里0809就可以采集-5+5V的電壓了。將采樣值減去 128以使采樣值與設(shè)定值相對應(yīng)。因此加了外部電路,3.2 D/A輸出電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用TLC75

14、28芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時間100NS,滿量程誤差 1/2LBS,參考電壓-10V+10V,供電電壓+5V+15V,輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00HFFH,80H對應(yīng)于0V,輸出電壓為-5V+4、96V。在課程設(shè)計過程中采用的TD-ACC嗷學(xué)系統(tǒng)中的 TLC7528,其輸入數(shù)字量得八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經(jīng)接至控制 計算機(jī)的總線上。片選線預(yù)留出彳f實驗中連接到相應(yīng)的I/O片選上，如圖 3-2。圖3-2 D/A輸出電路該芯片TLC7528可以雙極性輸出，但須在單片機(jī)中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進(jìn)彳T

15、 D/A輸出。3.3 給定對象硬件電路設(shè)計圖3-3 給定對象硬件電路圖如圖3-3所示，為被控對象的硬件電路的設(shè)計圖，在本次的課程設(shè)計中的被控對象傳遞函數(shù):G(s)e(0.4s 1)( 0.5s 1)0.5s, T ,其中比例部分由兩個運(yùn)算放大器組合實現(xiàn)，即，第一個運(yùn)算放大器的積分部分為1 500 1000 0.5,實現(xiàn)被控對象的第一部分，第二個運(yùn)算放大器的積分部分為 2 200 1000 0.4,實現(xiàn)被控對象的第二部分。3.4 總硬件圖nJJ-L :-XLFMU匕苦w圖3-4總硬件圖4 .大林算法控制系統(tǒng)算法設(shè)計4.1 控制算法的原理實驗算法中，用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G

16、(s)80.5se (0.4s 1)( 0.5s 1)T,將代入，并進(jìn)行 Z變換：D(z)0.5 0.250.5 0.410.5 0.51、(1 e )(1 e z )(1 e z )10.5 0.251228(Gc2z)1 e z (1 e )z1式中 g 1 (0.4e0.5/0.4 0.5e1) 0.307, 0.1C2 e0.5(10.41a5) (0.4e1 0.5e 0.5 0.4 ) 0.9338 0.1經(jīng)計算D(z)03521( 1 O2865z 1 )(1 O3679z 1 ) (1 3.0415z 1 )(1 0.1353z 1 0.8647z2)'無振鈴時，有 z

17、 1,貝U (c, c2z 1)1.2408,于是D(z)0.087(1 0.2865z1)(1 0.3679z 1 )(1 0.1353z 1 0.8647z 2 )對應(yīng)的遞推公式為u(k) 0.1353u(k 1) 0.8647u(k 2)0.087e( k) 0.6544e( k 1) 0.1054e(k 2).則程序中kk0 0.087,kk10.6544, kk2 0.1054,pp1 0.1353, pp2 0.8647, pp3 04.2 計算機(jī)實現(xiàn)的計算機(jī)公式推導(dǎo)在4、1中得到了 D(z)的最終表達(dá)式，而在本實驗中，被控對象為11從而可以知道被控對象的時間常數(shù)為，增益K=8,根

18、據(jù)T按1 1最大時間常數(shù)取值，取 T =0.4so將各2 3個參數(shù)代入計算：KK0=0.077 , KK1= -0.9085, KK3=0.0017864 , PP1 = 0.3495, PP2=0.95436, PP3=0.039514。對應(yīng)的遞推公式：u(k)= 0.3495u(k-1)+ 0.95436u(k-2)+ 0.039514u(k-3)+0.077e(k) 0.9085e(k-1)+ 0.0017864e(k-2)由于在二階對象中是引起振鈴的極點(diǎn)因子，令z=1 ,于是可以得到 u(k)=0.0821u(k-1)+0.9179u(k-2)+0.0821e(k) 0.0303e(k

19、-1)+0.0019e(k-2)在程序中：KK0=0.0821 , KK1= -0.0303, KK2=0.0019 , PP0=0.0821, PP1=0.9179, PP2=0。4.3 采樣周期的選擇在本實驗中，定時中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又要滿足，而由被控對象的表達(dá)式可知，所以取N=1 ,s,取 T0.5s。5 .大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計5.1 主程序與中斷流程圖主程序流程圖：圖 5.1-1采樣中斷服務(wù)程序流程圖:中斷程序圖 5.1-2計算定時器0初值修正因初值重裝而引起的定時誤差邊沿觸發(fā)中斷開外部中斷1開定時中斷0 啟動定時器/D/A清零變量清

20、零5.2 部分控制程序代碼6 .主程序部分源碼：void main(void)TMOD = 0x01;t0_h = (65536-15536)/256;t0_l = (65536-15536)%256;t0_l = t0_l+20;TH0 = t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;EX1=1;ET0=1;TR0=1;TC=1;DAC_1= 0x80;UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0;EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0;RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0;bb = 0;EA = 1;/開總中斷FLG = 0;DOUT0 =

21、0;while(1);while(1)是使主程序進(jìn)入死循主程序的功能主要是：對定時器的賦值、開外中斷、初始各變量，其中 環(huán)，等待中斷到來。2.采樣中斷程序的部分源碼：(1)判斷同步信號程序：DIN0 = 1;if(DIN0)UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0;EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0;RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0;DAC_1 = 0x80;TC = 1;(2)雙通道采樣：TC-;if(TC=0)if(FLG=0)RK=ADC_7-128;DOUT0 = 1;FLG = 1;TC = TK;elseFLG = 0;UK

22、= ADC_7-128;DOUT0 = 0;EK = RK-UK;/讀取輸入前，先輸出高電平判同步信號到否/D/A輸出零判采樣周期到否采樣當(dāng)前的給定值采樣當(dāng)前的輸出值，并計算偏差的變化量EK_1 = RK_1-UK_1;EK_2 = RK_2-UK_2;EK_3 = RK_3-UK_3;i=KK*0EK*+KK1*EK1+EK2*KK2j = PP1*UK_1 + PP2*UK_2 + PP3*UK_3;UK = G*i + j;if(UK>0)判控制量是否溢出，溢出賦極值if(UK>127)aa = 127;elseaa = (char)UK;elseif(UK<-128)

23、aa = -128;elseaa = (char)UK;/D/A輸出控制量控制量遞推偏差遞推采樣周期變量恢復(fù)DAC_1 = bb+128; bb =aa ;UK_3 = UK_2;UK_2 = UK_1;UK_1 = UK;EK_3 = EK_2;EK_2 = EK_1;EK_1 = EK;TC = TK;雙通道采樣原理說明：由于在主程序中，將 DOUT2置“0”，已經(jīng)選擇了采樣通道IN6,第一次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，對給定信號進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置“1”，這時將A/D通道IN7選中，等待采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在UK1中，在變量定義中，已經(jīng)將 P

24、1.6定義為DOUT2 ,故改變 DOUT2值就改變了 P1.6。中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能：對給定信號進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置 T,將A/D通道IN7選中，待采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在UK1中，接下來便是計算偏差 E(k),計算U(k),將值通過端口 DAC_1在下一周期到來時輸出；再次在該中斷程序中，增加一個變量bb1,用于存儲前一周期的輸出值，這樣使得輸出量能夠延遲1秒輸出；最后就是通過遞推公式，計算實現(xiàn)輸出信號的不斷優(yōu)化。該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是對定時器的重新裝值，同時，當(dāng)采樣周期到時，啟動A/D ,用于對轉(zhuǎn)換反饋信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。6 .實驗結(jié)果|T1-T2|= 458,8m£|V1-V2| = 51Z9 mv1/|T1-T2| = 2.13Hz|71-V2| = 512.8 mv葭I.r7j/J.j . _ j. _i/-1 1 1 1 1 1 11