滯后超前校正控制器設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目: 滯后-超前校正控制器設(shè)計(jì) 姓名: 胡志峰 學(xué)號: 100230105 2013年7月12日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 號100230105班 級1002301學(xué) 生胡志峰指導(dǎo)教師任倩題 目滯后-超前校正控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2013年 7 月 5 日 至 2013 年 7 月 12 日 共 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，采用模擬設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)滯后-超前校正數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標(biāo)：(1) 當(dāng) 時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126； (2) 開環(huán)系統(tǒng)截止頻率 rad/s； (3) 相位裕度 。方案設(shè)計(jì)：1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；2.

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；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：2013年 7 月 5 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐瓿蓽?- 超前校正控制器設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)要求熟練掌握 MATLAB設(shè)計(jì)仿真滯后-超前校正

3、控制器、運(yùn)用Protel設(shè)計(jì)控制器硬件電路圖，以及運(yùn)用MCS-51單片機(jī)C或匯編語言完成控制器軟件程序編程。三、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，采用模擬設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)滯后-超前校正數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標(biāo)：(1) 當(dāng) 時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126；(2) 開環(huán)系統(tǒng)截止頻率 rad/s；(3) 相位裕度 。四、 實(shí)驗(yàn)具體步驟4.1 相位滯后超前校正控制器的連續(xù)設(shè)計(jì) 校正方案主要有串聯(lián)校正、并聯(lián)校正、反饋校正和前饋校正。確定校正裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的方法主要有兩類：分析法和綜合法。分析法是針對被校正系統(tǒng)的性能和給定的性能指標(biāo)，首先選擇合適的校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，然后用校正方法確定校正環(huán)節(jié)

4、的參數(shù)。在用分析法進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)通常采用超前校正、滯后校正和滯后-超前校正這三種類型。超前校正的作用在于提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性,滯后校正的主要作用是在不影響系統(tǒng)暫態(tài)性能的前提下,提高低頻段的增益，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，而滯后超前校正環(huán)節(jié)則可以同時(shí)改善系統(tǒng)的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。這種校正的實(shí)質(zhì)是綜合利用了滯后和超前校正的各自特點(diǎn)，利用其超前部分改善暫態(tài)特性，而利用滯后部分改善穩(wěn)態(tài)特性，兩者各司其職，相輔相成。(1)調(diào)整開環(huán)增益 K,使其滿足穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126; (1)按求得的開環(huán)增益 K=126 繪制 Bode 圖4-1所示：圖4-1 校正前系統(tǒng)Bode圖圖4-2

5、校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖由圖可知：未校正系統(tǒng)的剪切頻率: 相角裕度：幅值裕度：相位裕度：以上計(jì)算以及仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進(jìn)行校正，由于附近頻段內(nèi)的對數(shù)幅頻漸近線以 -40dB/dec 穿過 0dB 線，只加一個(gè)超前校正網(wǎng)絡(luò)其相角超前量有可能不足以滿足相位裕度的要求 ， 可以設(shè)想如果讓中頻段(附近)衰減，再由超前校正發(fā)揮作用，則有可能滿足指標(biāo)要求，而中頻段衰減正好可以用滯后校正完成。因此決定采用滯后超前校正。(2) 確定校正后的剪切頻率 ：選取的原則應(yīng)兼顧快速性和穩(wěn)定性，過大會增加超前校正的負(fù)擔(dān)，過小又會使頻帶過窄，影響快速性，結(jié)合具體情況：(3) 確定滯后校正部分的參數(shù) ：根據(jù) ，取則有

6、 故滯后校正的傳遞函數(shù)為 (2)(4)確定超前校正部分的參數(shù) ：過點(diǎn)（24.5rad/s,-5.12dB）做+20dB/dec斜線與滯后校正部分交于，與0dB線交于，計(jì)算得，故，故超前部分校正的傳遞函數(shù) (3)最后可得滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為 (4)(5)檢驗(yàn)性能指標(biāo)由于校正過程中，多處采用的是近似計(jì)算，可能會造成滯后-超前校正后得到的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不滿足題目要求的性能指標(biāo)。所以需要對滯后-超前校正后的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。下面用MATLAB求已校正系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量。圖4-3校正后系統(tǒng)Bode圖圖4-4 校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖圖4-5 校正前后Bode圖比較圖由圖上可以讀出校正后系統(tǒng)的：剪切

7、頻率:相角裕度:幅值裕度：相位裕度：假設(shè)驗(yàn)證結(jié)果不滿足指標(biāo)，重新選擇校正后的截止頻率，重復(fù)上述過程，直到滿足性能指標(biāo)為止。通過校正后系統(tǒng)的伯德圖得到的幅值裕度和相位裕度可以看出此次設(shè)計(jì)的滯后-超前校正裝置在由于超前校正作用在中頻段衰減，增大了相位裕度和帶寬響應(yīng)快速提高；同時(shí)由于系統(tǒng)的滯后校正改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高穩(wěn)態(tài)精度，由于超前的作用不致使系統(tǒng)響應(yīng)速度變緩，故校正器設(shè)計(jì)符合要求。由上圖可知通過滯后-超前校正器的校正系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。事實(shí)上，可以充分的利用MATLAB 軟件中的控制系統(tǒng)工具箱來解決控制中的一系列問題，可以大大提高分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的效率。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：給

8、出了基于MATLAB 軟件的滯后-超前校正器的設(shè)計(jì)過程并通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了該方法比傳統(tǒng)的方法節(jié)省了相當(dāng)大的工作量，實(shí)現(xiàn)起來非常的方便。4.2 Matlab程序%繪制校正前系統(tǒng)的Bode圖和階躍響應(yīng)圖K=126;n1=1;d1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1);s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),hold on %繪制系統(tǒng)的Bode圖figure(2);sys=feedback(s1,1);step(sys) %繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖%繪制校正后系統(tǒng)的Bode圖和階躍響應(yīng)圖G0=tf(126,conv(1 0,conv(0.1 1,0.

9、0167 1);Gc1=tf(0.4 1,4 1);Gc2=tf(0.2 1,0.02 1);G=G0*Gc1*Gc2;figure(3);bode(G) %繪制閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖margin(G),hold on T0=feedback(G0,1) T=feedback(G,1);figure(4);step(T); %繪制閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖K=126;n1=1; %將校正前后Bode畫在同一張圖上d1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1);s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),hold on; G0=tf(126,conv(1 0

10、,conv(0.1 1,0.0167 1);Gc1=tf(0.4 1,4 1);Gc2=tf(0.2 1,0.02 1);G=G0*Gc1*Gc2;figure(1);bode(G);margin(G),hold on; legend(校正前,校正后)4.3相位滯后-超前校正的離散化Simulink是可以用于連續(xù)、離散以及混合的線性、非線性控制系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，并為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，很適合于控制系統(tǒng)的仿真。使用 MATLAB 對滯后-超前控制器函數(shù)和校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化。采用零極點(diǎn)匹配法 , 采樣時(shí)間為 10ms ：圖4-6 離散后系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖Dz

11、Transfer function:0.8159 z2 - 1.572 z + 0.7569- z2 - 1.604 z + 0.605 Sampling time (seconds): 0.01G0zTransfer function:0.01353 z2 + 0.02706 z + 0.01353-z3 - 2.454 z2 + 1.95 z - 0.4966Sampling time (seconds): 0.014.4 Matlab程序%繪制離散系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖s=tf(s);G0s=126/(s*(s/10+1)*(s/60+1);Ds=(0.4*s+1)*(0.2*s+1)/(4*s

12、+1)*(0.02*s+1);G0z=c2d(G0s,0.01,matched);Dz=c2d(Ds,0.01,matched);Gz=G0z*Dz;sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);G0z=c2d(G0s,0.01,matched);Dz=c2d(Ds,0.01,matched);sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);4.5 Matlab/Simulink仿真離散控制器圖4-7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-8 Simulink仿真離散控制器圖圖4-9 Simulink仿真離散控制器系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖4.6 相位滯后超前校正的控制器差分方程設(shè)計(jì)由得出

13、差分方程為：五.控制器電路設(shè)計(jì)5.1控制器的選擇與電路設(shè)計(jì)AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸

14、出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖5-1 MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖5.2 AD/DA轉(zhuǎn)換芯片選擇與采樣電路的設(shè)計(jì)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通

15、道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?；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電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)；工作溫度范圍為-40+85攝氏度；低功耗，約15mW。由于該 AD 內(nèi)部沒有時(shí)鐘，要外接時(shí)鐘輸入,時(shí)鐘可以從單片機(jī)的 ALE 引腳引出,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6即2MHz的頻率， 經(jīng)過兩個(gè)觸發(fā)器4分頻電路分頻，可以得到 500KHz 的時(shí)鐘信

16、號,D觸發(fā)器選擇74HC74，這樣AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為130us，由于本系統(tǒng)采樣時(shí)間為10ms，由上述ADC0809特性可知可以滿足本設(shè)計(jì)要求。圖5-2 AD時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖圖5-3 AD采樣電路圖DAC0832是美國資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，對參考電流進(jìn)行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流IOUT1和IOUT2輸出。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要參數(shù):分辨

17、率為8位；電流穩(wěn)定時(shí)間1us；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供電（+5V+15V）；低功耗，20mW。根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。DAC0832引腳功能電路應(yīng)用原理圖DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。所以這個(gè)芯片的應(yīng)用很廣泛,關(guān)于DAC0832應(yīng)用的一些重要資料見下圖： D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式

18、輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。將 CS、WR1、WR2和XFER引腳接地，ILE引腳接5V，Vref選擇+5V，8位數(shù)字信號輸入端 DI0DI7 分別接單片機(jī)的 P0.0P0.7 引腳。此時(shí) DAC0832處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入 DAC 寄存器，進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。DAC輸出的電壓值為：圖5-4 DA轉(zhuǎn)換輸出電路5.3 程序流程圖圖5-5 控制器程序流程圖5.4 控制器程序#include #defin

19、e uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit START=P22;sbit OE=P21;sbit EOC=P20;/*定時(shí)器1初始化*/void Init_Timer1(void) / ADC0809采樣時(shí)間 用T1產(chǎn)生10ms中斷TMOD = 0x10; /設(shè)置T1為工作方式1，16位定時(shí)器TH1 = 0x0D8;TL1 = 0x0F0;/裝載初值，設(shè)置定時(shí)10msEA = 1;/開總中斷ET1 = 1; /允許T1溢出中斷TR1 = 1;/啟動T1/*主函數(shù)*/void main(void)float uk_1=0.0;/定義變量初

20、值float uk_2=0.0;float uk=0.0;float ek_1=0.0;float ek_2=0.0;float ek=0.0;START=0;OE=0;/輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)START=1; START=0;/開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)Init_Timer1();/初始化T1while(1)if(EOC=1) /ADC0809轉(zhuǎn)換一次完成后EOC變?yōu)楦唠娖絬k_1=uk;ek_1=ek;uk_2=uk_1;ek_2=ek_1;OE=1;/輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)ek=P1;/讀取P1口AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)OE=0;/輸出數(shù)據(jù)線置0成高阻態(tài)uk=0.604*uk_1+0.605*uk_2+0.8159*ek-1.572*ek_1+0.0756*ek_2;/轉(zhuǎn)換公式P0=(uchar)uk;/將uk輸出給DAwhile(EOC=