計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)(最小拍無(wú)波紋

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目: 最小拍控制設(shè)計(jì) 姓名: 學(xué)號(hào): 2014年7月4日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué) 號(hào)班 級(jí)學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目最小拍控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2014年 6 月 27 日 至 2014 年 7 月 4 日 共 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.1s，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時(shí)實(shí)現(xiàn)最小拍無(wú)波紋控制。方案設(shè)計(jì)：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計(jì)，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

2、制原理圖；3. 編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。報(bào)告內(nèi)容：1. 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；2. 元器件選型，電路設(shè)計(jì)，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(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)；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 6 月 27 日一、題目分析根據(jù)題目要求，設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)的連續(xù)部分和零階保持器的傳遞函數(shù)分別為，采樣周期T=0.1s，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時(shí)實(shí)現(xiàn)最小拍無(wú)波紋控制。二、設(shè)計(jì)最小拍控制器1、控制系統(tǒng)總體介紹最小拍

3、閉環(huán)控制系統(tǒng)包括給定值，輸出值，D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，數(shù)字控制器，被控對(duì)象，零階保持器等環(huán)節(jié)。在數(shù)字隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是為滿足這一要求的一種離散化設(shè)計(jì)方法。所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無(wú)靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)具有以下形式：式中N是在可能情況下的最小正整數(shù)。這一形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)在N個(gè)采樣周期后變?yōu)?，從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。2、控制系統(tǒng)框圖及閉環(huán)工作原理圖1 控制系統(tǒng)框圖 最小拍雙通道采樣的閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖1所示，在該系統(tǒng)中對(duì)給定值r(t)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換采樣，得到離散化的r(z),

4、并且對(duì)輸出值c(t)也進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，得到c(z)，然后計(jì)算有e(k）=c(k)-r(z)。D(z)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，U(z)為輸出的控制量，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到模擬控制量U(t)對(duì)包含零階保持器的被控量進(jìn)行控值進(jìn)而達(dá)到要求的最小拍控制的目的。3、最少拍無(wú)紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) （1）帶零階保持器的廣義被控對(duì)象為通過(guò)matlab，z變換程序?yàn)閚p=0 0 10;dp=1 1 0;hs=tf ( np, dp);hz=c2d(hs,0.1)結(jié)果為T(mén)ransfer function: 0.04837 z + 0.04679-z2 1.905 z + 0.9048 Sampling

5、time:0.1 seconds即 （2）無(wú)波紋最小拍控制器D（z） 根據(jù)G(z)，對(duì)象有一個(gè)純遲后因子v=1,一個(gè)零點(diǎn)，兩個(gè)極點(diǎn)，輸入函數(shù)為單位斜坡信號(hào)， ，m=2，則閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為由 得系數(shù)，則系統(tǒng)脈沖傳函為 (3) 誤差脈沖傳函為 (4)由得設(shè)計(jì)的控制器為 (5)4、無(wú)波紋最小拍控制系統(tǒng)simulink仿真圖2 控制系統(tǒng)整體框圖仿真結(jié)果為： （）系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)圖形如圖3所示：圖3 系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)（2）系統(tǒng)誤差e（t）曲線如圖4所示：圖4 系統(tǒng)誤差e（t）曲線（3）控制器輸出u（k）曲線如圖5所示：圖5 控制器輸出u（k）曲線通過(guò)仿真曲線看出： 控制器D

6、（z）滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)在第三拍之后系統(tǒng)達(dá)到無(wú)差，輸出響應(yīng)從第三個(gè)采樣周期開(kāi)始完全跟蹤輸入，且沒(méi)有波紋。最后控制器輸出恒定（），因此系統(tǒng)輸出不會(huì)產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時(shí)間為。將得系統(tǒng)的差分方程為： (6)三、硬件電路設(shè)計(jì)及元件選型1、AD轉(zhuǎn)換器選擇AD0808 由于51 單片機(jī)大部分不帶AD 轉(zhuǎn)換器，所以模擬量的采集就必須靠A/D實(shí)現(xiàn)。我們選擇8位精度的AD 轉(zhuǎn)換器AD0808。ADC0808 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成，內(nèi)部具有鎖存功能，故不需要加地址鎖存器。ALE腳為地址鎖存信號(hào)，三根地址線固定接地，由于地址信

7、號(hào)已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號(hào)，故選擇ADC0808的為5V。由于ADC0808的時(shí)鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)，由單片機(jī)P2.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機(jī)的P2.1。由單片機(jī)產(chǎn)生300khz的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)晶振可選擇為12MHz。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)將其接單片機(jī)P2.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉(zhuǎn)換完成。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(jī)P0口相連，高低位依次相連。圖6 AD轉(zhuǎn)換器硬件電路接線圖2DA轉(zhuǎn)換器選擇

8、DAC0832。具有8位并行、中速(建立時(shí)間1us)、電流型、低廉(1020元)的特點(diǎn)。DAC0832的引腳接法下：CS：片選端，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平。WR2：DAC寄存器寫(xiě)選通控制端，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(jí)輸入寄存器寫(xiě)選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機(jī)P2.3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時(shí)間。D10D17：與單片機(jī)P0P7相連。圖7 DA轉(zhuǎn)換器硬件電路接線圖3、控制器控制器選擇AT89C51單片機(jī)，根據(jù)ADC0808和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計(jì)單

9、片機(jī)與AD、DA的接口電路如下圖所示。圖8 數(shù)字控制器硬件接線圖4、被控對(duì)象如圖9所示，左邊的積分環(huán)節(jié)通過(guò)選取500K的輸入電阻和2UF的并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，右邊的 放大器上并聯(lián)了R=500K和C=2uF實(shí)現(xiàn)時(shí)間常數(shù)=1S，然后再通過(guò)=10實(shí)現(xiàn)放大系數(shù)Kp=10的要求。圖9 被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)硬件電路圖圖10 整體實(shí)現(xiàn)硬件接線圖四、 程序流程圖及源程序1、流程圖主程序主要通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化和變量初始化的操作，包括設(shè)定定時(shí)器的工作狀態(tài)、定時(shí)器裝初值、開(kāi)定時(shí)中斷、啟動(dòng)定時(shí)器、D/A清零、變量清零等內(nèi)容，完成上述操作后就等待進(jìn)入定時(shí)中斷。主程序流程圖如圖11所示。圖11 主程序流程圖定時(shí)器1中斷服務(wù)

10、程序?qū)崿F(xiàn)的功能有：是為AD轉(zhuǎn)換提供脈沖信號(hào)，流程圖如圖12所示。圖12 定時(shí)器1中斷服務(wù)流程圖定時(shí)器0中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)了采樣和計(jì)算輸出控制量的功能。首先檢查是否到了采樣周期，如果到了，就把輸出清零、變量初始化并給采樣周期值，進(jìn)行下一步的采樣和計(jì)算，沒(méi)到就就繼續(xù)計(jì)時(shí)等待采樣周期到來(lái)。根據(jù)之前算得的公式計(jì)算出控制輸出u(k),然后檢查控制量是否溢出，溢出了就取相應(yīng)的最值。這之后輸出控制量。最后進(jìn)行控制量和偏差的遞推和采樣周期恢復(fù)，就返回了，流程圖如圖13所示。圖13 定時(shí)器0中斷服務(wù)流程圖定時(shí)器T0的初值計(jì)算：機(jī)器周期：，采樣周期T=0.1s設(shè)：需要裝入T0的初值為X，則有： X化為十六進(jìn)制，即X

11、=0x3cb0T0的初值為 TH0=0x3c; TL0=0xb0;2、源程序及注釋#include<reg51.h>定義變量及其初始化sbit start=P20; / AD啟動(dòng)信號(hào)sbit CLK=P21; / AD時(shí)鐘信號(hào)輸出口sbit EOC=P22; / AD轉(zhuǎn)換完成信號(hào)sbit DA_W=P23; / DA轉(zhuǎn)換信號(hào)sbit OE=P24;unsigned char ad_data ; / AD采樣值unsigned char n=0; /定時(shí)標(biāo)記量char e; /定義當(dāng)前采樣值char u; /定義DA輸出量char u0=0; /char u1=0; /char e0

12、=0; / char e1=0; /前二次采樣值和前二次控制值float temp; /設(shè)置指針AD采樣函數(shù)void AD() start=0; /start=1; / 啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，開(kāi)始轉(zhuǎn)換start=0; /while(EOC=0); / 轉(zhuǎn)換未結(jié)束，空循環(huán)OE=1;ad_data=P0; / 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取AD輸出值 OE=0; 定時(shí)器中斷初始化程序void TimeInitial() IP=0x08; /設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，定時(shí)器1為高優(yōu)先級(jí) TMOD=0x21; /定時(shí)器1采用方式2，定時(shí)器0采用方式1TH1=0xd8; /設(shè)置定時(shí)器1的初值 TL1=0xd8; TH0=0x3c;

13、/設(shè)置定時(shí)器0的初值 TL0=0xb0; EA=1; /開(kāi)放所有中斷ET1=1; /允許T1溢出中斷 TR1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器1 ET0=1; /允許T0溢出中斷 TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 主函數(shù)void main() TimeInitial(); start=0; /AD啟動(dòng)信號(hào)為0 DA_W=0; P1=0x80; DA_W=1; /控制器初始輸出為零 while(1); /空循環(huán)，等待中斷 定時(shí)器0中斷函數(shù)void T0(void )interrupt 1 using 1 TH0=0x3c; TL0=0xb0; /重裝初值 if (n=2) n=0; AD(); /0.1s后，讀取

14、AD采樣值 e=ad_data-128; /采樣實(shí)際偏差值 temp=0.267*u1+0.733*u0+26.183*e-41.983*e1+16.552*e0; /差分方程 if(temp>0) /當(dāng)前輸出值大于零 if(temp>=127) u=127; /判斷是否溢出，溢出取極值 else u=(char)temp; /控制器輸出值 else /當(dāng)前輸出值小于零 if(temp<=-127) u=-127; /判斷是否溢出，溢出取極值 else u=(char)temp; /控制器輸出值 P1=u+128; /DA輸出值 u0=u1; /控制量遞推賦值 u1=u; e

15、0=e1; /偏差量遞推賦值 e1=e; DA_W=0; DA_W=1; /上升沿DA輸出 else n+; /定時(shí)不到0.1s，繼續(xù)定時(shí)定時(shí)器1中斷函數(shù) void clk(void) interrupt 3 using 0 CLK=CLK; /產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào) 五、設(shè)計(jì)小結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)讓我們進(jìn)一步熟悉并掌握了數(shù)字控制器設(shè)計(jì)的一般步驟，以及使用MALAB、PROTEL、KEIL等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、仿真的過(guò)程。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，比如控制器設(shè)計(jì)方案的選擇，MATLAB仿真模型的建立、控制器程序的設(shè)計(jì)等，在調(diào)試的過(guò)程中，遇到的問(wèn)題更多，調(diào)試的過(guò)程是一個(gè)讓人思考的過(guò)程，也是熟悉穩(wěn)態(tài)方法和實(shí)踐

16、動(dòng)手的好機(jī)會(huì)，順著模塊的順序依次排查接線，出現(xiàn)問(wèn)題，想出各種可能的情況，測(cè)試解決。經(jīng)過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)所學(xué)過(guò)的知識(shí)在應(yīng)用方面有了初步認(rèn)識(shí)，并且學(xué)到很多擴(kuò)展方面的知識(shí)，且再對(duì)課題的仿真過(guò)程當(dāng)中，能夠熟練的使用Simulink軟件。通過(guò)查資料了解了課本上沒(méi)學(xué)到的知識(shí)，也知道了AT89C51與我們所學(xué)的80C51引腳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及用途上的差別。還選擇了ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器， DAC0832作為本系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器。通過(guò)模擬量經(jīng)過(guò)輸入通道進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)，通過(guò)編程，對(duì)所錄入的模擬信號(hào)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)電路的顯示，以及D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給執(zhí)行器進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)所學(xué)過(guò)的知識(shí)在應(yīng)用方面有了初步認(rèn)識(shí)，并且學(xué)到很多擴(kuò)展方面的知識(shí)，且再對(duì)課題的仿真過(guò)程當(dāng)中，能夠熟練的使用Simulink軟件。通過(guò)查資料了解了課本上沒(méi)學(xué)到的知識(shí)，也知道了AT89C51與我們所學(xué)的80C51引腳，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及用途上的差別。還選擇了ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器，