計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)最小拍無(wú)波紋

1、.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日精品.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繪制原理圖；3. 編

2、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。精品.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)總體介紹最小拍閉環(huán)控制系統(tǒng)

3、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)工作原理精品.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),并且對(duì)

4、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transfer function: 0.04837 z + 0.04679-z2 1.905 z + 0.9048精品. 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仿真精品.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：精品.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

6、： 控制器d（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)間為精品.。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

7、定接地，由于地址信號(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。精品.圖6 ad轉(zhuǎn)換器硬件電

8、路接線圖2da轉(zhuǎn)換器選擇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。精品.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dac08

9、32的特性，及上述分析，設(shè)計(jì)單片機(jī)與ad、da的接口電路如下圖所示。精品.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。精品.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。精品.主程序流程圖如

10、圖11所示。圖11 主程序流程圖定時(shí)器1中斷服務(wù)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。這之后精品.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。精品.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.

11、1s設(shè)：需要裝入t0的初值為x，則有：精品. x化為十六進(jìn)制，即x=0x3cb0t0的初值為 th0=0x3c; tl0=0xb0;2、源程序及注釋#include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; /c

12、har u1=0; /char e0=0; / char e1=0; /前二次采樣值和前二次控制值float temp; /設(shè)置指針精品.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

13、 tl1=0xd8; th0=0x3c; /設(shè)置定時(shí)器0的初值 tl0=0xb0; ea=1; /開(kāi)放所有中斷精品.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

14、=2)精品. n=0; ad(); /0.1s后，讀取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(temp0) /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; /

15、控制量遞推賦值 u1=u; e0=e1; /偏差量遞推賦值 e1=e; 精品. 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)

16、讓人思考的過(guò)程，也是熟悉穩(wěn)態(tài)方法和實(shí)踐動(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)，也知道了精品.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