計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、能源與動力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣0902 姓 名： 孫威 學(xué) 號： 091302224 第 一 部 分任務(wù)書計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)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(shí)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(shí)踐和實(shí)際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一

2、個(gè)綜合運(yùn)用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89c51單片機(jī)和adc、dac等電路、由運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：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(shí)現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：最少拍控制。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程

3、序、中斷程序、a/d轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、最少拍控制程序、d/a輸出程序等。四、課程設(shè)計(jì)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(gè)通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3. 每個(gè)同學(xué)選擇不同的被控對象：4. 設(shè)計(jì)無紋波最少拍控制器。被控對象有積分環(huán)節(jié)的按斜坡輸入信號設(shè)計(jì)控制器，否則按階躍輸入信號設(shè)計(jì)控制器。5. 定時(shí)中斷間隔可在10-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取1000-2000ms，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。有關(guān)的設(shè)計(jì)資料可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課

4、程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 控制系統(tǒng)能正確運(yùn)行。2. 正確整定pid參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)<15%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(jì)1.53熟悉實(shí)驗(yàn)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(jì)15軟件編程，調(diào)試16實(shí)驗(yàn)17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告1七、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計(jì)過程，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計(jì)的目和設(shè)計(jì)的任務(wù)。2課程設(shè)計(jì)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(jì)流程圖及其說明。6電路設(shè)計(jì)，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。7實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果及其分析。8體會。第 二 部 分課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄1 課題簡介71.1 課程設(shè)計(jì)目的71.2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容71.3 課程設(shè)計(jì)要求72 最小拍控制方案設(shè)計(jì)82.1 控制系統(tǒng)總體介紹82.2 控制系統(tǒng)框圖及閉環(huán)工作原理83最小拍控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)93.1 總體硬件電路圖93.2 輸入雙極性的實(shí)現(xiàn)原理103.3 輸出雙極性的實(shí)現(xiàn)原理103.4 給定的被控對象的實(shí)現(xiàn)114 最小拍無紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)114.1 最小拍無紋波控制的基本原理114.2 最小拍無紋波控制的算法實(shí)現(xiàn)125最小拍無紋波控制軟件編程設(shè)計(jì)135.1 主程序及中斷程序的流程圖135.2 重要程序的作用與實(shí)現(xiàn)135.2.1任務(wù)的分

6、配135.2.2重要程序的源碼介紹146 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析156.1 仿真的情況156.2 上機(jī)調(diào)試過程157 小結(jié)與體會168 參 考 文 獻(xiàn)171 課題簡介1.1 課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)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(shí)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(shí)踐和實(shí)際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對學(xué)生控制算法

7、設(shè)計(jì)的認(rèn)識，學(xué)會控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。1.2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89c51單片機(jī)和adc、dac等電路、由運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：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(shí)現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：最少拍控制。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、a/d轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、最少拍控制程序、d/a輸出程序等。1.3 課程設(shè)計(jì)要求1. 模入電

8、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(gè)通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3. 每個(gè)同學(xué)選擇不同的被控對象：4. 設(shè)計(jì)無紋波最少拍控制器。被控對象有積分環(huán)節(jié)的按斜坡輸入信號設(shè)計(jì)控制器，否則按階躍輸入信號設(shè)計(jì)控制器。5. 定時(shí)中斷間隔可在10-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取1000-2000ms，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。有關(guān)的設(shè)計(jì)資料可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。2 最小拍控制方案設(shè)計(jì)2.1 控制系統(tǒng)總體介紹數(shù)字控制器的連續(xù)化控制技術(shù)，是立足于連續(xù)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，

9、然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)的，這種方法在被控對象的特性不太清楚的情況下，人們可以充分利用技術(shù)成熟的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù),并把它移植到計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)。但是連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)要求相當(dāng)短的采樣周期，因此只能實(shí)現(xiàn)簡單的控制算法。由于控制任務(wù)的需要，當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論（采樣控制理論）來設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，這類方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法。在數(shù)字隨動控制系統(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)對于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉

10、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)。最小拍閉環(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，被控對象，零階保持器等環(huán)節(jié)。2.2 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)框圖如上所示，在該系統(tǒng)中對給定值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a/d轉(zhuǎn)換后得到模擬控制量u(t

11、)對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最小拍控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 總體硬件電路圖圖2 總體硬件電路圖3.2 輸入雙極性的實(shí)現(xiàn)原理圖3雙極性的輸入電路由上圖我們可以知道輸入通道in7和in6加了上拉電阻，5號沒加。in1in5的模擬量的允許輸入范圍：04.98v。而加了上拉電阻的in7和in6端口，當(dāng)輸入in7的電壓為0v時(shí)，進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換的電壓為2.5v；當(dāng)輸入in7的電壓為-5v時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)換的電壓為0v。就是說，輸入到外端口的電壓uout和進(jìn)入轉(zhuǎn)換的電壓uin的關(guān)系是uin=(uout+vcc)/2,因此能夠在in7端口加上-5v+4.96v的電壓也可以實(shí)

12、現(xiàn)轉(zhuǎn)換的功能。3.3 輸出雙極性的實(shí)現(xiàn)原理圖4 雙極性的輸出電路上圖為雙極性的輸出電路，該電路通過放大器和電阻的一系列計(jì)算關(guān)系實(shí)現(xiàn)輸出的雙極性。具體的說，就是r2左端的電壓為轉(zhuǎn)換輸出的單極性電壓vdan,該電壓的大小為，這就是原本單極性輸出的正常電壓。但是加上如上的電路之后，我們設(shè)輸出電壓為vout,因?yàn)橛疫叺姆糯笃?號端口接地，所以2號端口也虛地，即電壓為0v。又因?yàn)榉糯笃?號端子向右可以認(rèn)為是斷路，沒有電流。綜上，于是有：所以只要調(diào)試w102是w102加上r4為2k，那么輸出的電壓，由此可知，實(shí)現(xiàn)了d/a轉(zhuǎn)換的雙極性輸出。3.4 給定的被控對象的實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書中有8個(gè)被控對象，我們?nèi)∑?/p>

13、中一個(gè)分析被控對象是如何實(shí)現(xiàn)的。比如，被控對象為的實(shí)現(xiàn)的硬件電路圖為圖5 被控對象實(shí)現(xiàn)硬件電路圖在該圖中，左邊的積分環(huán)節(jié)通過選取500k的輸入電阻和2uf的并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)，右邊的放大器上并聯(lián)了r=200k和c=2uf實(shí)現(xiàn)時(shí)間常數(shù)t2=0.4s，然后通過r7/r8=4實(shí)現(xiàn)放大系數(shù)kp=4的要求?？傊?，通過這個(gè)例子我說明了積分環(huán)節(jié)、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)是如何在接線中實(shí)現(xiàn)的。其他的被控對象依次類推。4 最小拍無紋波系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)4.1 最小拍無紋波控制的基本原理最小拍控制的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)要求有如下的形式：這一形式表明經(jīng)歷有限個(gè)采樣周期后輸出能跟上輸入的變化，系統(tǒng)在采樣點(diǎn)沒有靜差。根據(jù)z變換的終值定

14、理和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的情況，要求系統(tǒng)的既有這里f(z)是關(guān)于的待定系數(shù)多項(xiàng)式。顯然，為了使能夠?qū)崿F(xiàn)，f(z)首項(xiàng)應(yīng)為1，即因此最少拍控制器d(z)為最小拍無紋波控制系統(tǒng)要求在非采樣時(shí)間的時(shí)候也沒有偏差，因此必須滿足：對階躍輸入，當(dāng)tnt時(shí)，有y(t)=常數(shù)。對速度輸入，當(dāng)tnt時(shí)，有y'(t)=常數(shù)。對加速度輸入，當(dāng)tnt時(shí)，有y''(t)=常數(shù)。因此，設(shè)計(jì)最小拍無紋波控制器時(shí)，對速度輸入函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，則gc(s)必須至少有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，使得控制信號u(k)為常值時(shí)，gc(s)的穩(wěn)態(tài)輸出是所要求的速度函數(shù)。同理，若針對加速度輸入函數(shù)設(shè)計(jì)的無紋波控制器，則gc(s)中必須至

15、少有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。最小拍控制的廣義對象含有d個(gè)采樣周期的純滯后所以其中。要使控制信號u(k)在穩(wěn)態(tài)過程中為常數(shù)或0，那么只能是關(guān)于的有限多項(xiàng)式。因此4.2 最小拍無紋波控制的算法實(shí)現(xiàn)對于具體的被控對象，如，要實(shí)現(xiàn)對它的計(jì)算機(jī)控制算法的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過一系列的計(jì)算。采樣周期選擇1s,定時(shí)中斷選擇為10ms,就是說100個(gè)定時(shí)中斷后進(jìn)行采樣。首先廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)，對于該式，輸入速度信號，能滿足無紋波控制的要求，且d=0,q=2,v=1,w=1,且j<q,故有m=w+d=1,n=v-j+q=2.對單位速度輸入信號，因?yàn)?，故可以解?由此可知,于是求得,進(jìn)一步可知u(k)=0.593u(k-1

16、)+0.4070u(k-2)+0.6294e(k)-0.4087e(k-1)+0.0293e(k-2),這就是計(jì)算機(jī)控制所要的控制式。5最小拍無紋波控制軟件編程設(shè)計(jì)5.1 主程序及中斷程序的流程圖圖6 主程序及中斷程序的流程圖5.2 重要程序的作用與實(shí)現(xiàn)5.2.1任務(wù)的分配如流程圖所示，主程序的作用是實(shí)現(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、設(shè)定外中斷類型、開外中斷和定時(shí)中斷、啟動定時(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。同樣如圖所示，定時(shí)中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能有兩個(gè)：一是重新裝入定時(shí)初值，二是啟動d/a轉(zhuǎn)換進(jìn)而能進(jìn)入轉(zhuǎn)換外中斷。外中斷服

17、務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)了采樣和計(jì)算輸出控制量的功能。首先檢查是否到了同步信號，如果到了，就把輸出清零、變量初始化并給采樣周期值，沒到就檢查是否到了采樣周期。如果到了采樣周期，就進(jìn)行下一步的采樣和計(jì)算。具體就是，依次采樣7號通道和6號通道，然后計(jì)算出偏差。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。5.2.2重要程序的源碼介紹a/d轉(zhuǎn)換程序17if(tc=0) cont=adc_7-128; defi=0; str =0; str =1; ex1 =0; k =200; while(k>0

18、) k-; ex1 =1; set =adc_7-128; defi=1; ek=cont-set; .從以上程序中我們可以知道，當(dāng)采樣周期到時(shí)，首先采樣7號端口的數(shù)值然后選中6號端口，啟動轉(zhuǎn)換，等待200us后，采樣6號端口的數(shù)值，需要注意的一點(diǎn)是在6號端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后也會產(chǎn)生中斷信號影響計(jì)算機(jī)的控制，因此在等待轉(zhuǎn)換之前要先關(guān)掉外部中斷，等轉(zhuǎn)換完成后再打開。于是兩通道都完成采樣了。最少拍控制程序開始我們已經(jīng)計(jì)算出最小拍的控制輸出和偏差以及之前的控制輸出之間的關(guān)系是：u(k)=0.593u(k-1)+0.4070u(k-2)+0.6294e(k)-0.4087e(k-1)+0.0293e(

19、k-2)。于是首先定義一些變量kk0、kk1、kk2、kk3、pp1、pp2、pp3，在主函數(shù)中賦給他們計(jì)算出的相應(yīng)的數(shù)值，然后在中斷服務(wù)程序里進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)的程序就是：float kk0 = 0.6294; /系數(shù)kk0float kk1 = -0.4087; /系數(shù)kk1float kk2 = 0.0293; /系數(shù)kk2float kk3 = 0; /系數(shù)kk3float pp1 = 0.593; /系數(shù)pp1float pp2 = 0.407; /系數(shù)pp2float pp3 = 0; /系數(shù)pp3float g = 1; /增益調(diào)整. i = kk0*ek + kk1*ek_1 +

20、kk2*ek_2+kk3*ek_3 ;j = pp1*uk_1 + pp2*uk_2 + pp3*uk_3;uk = g*i + j;濾波程序的介紹為了實(shí)現(xiàn)滑動濾波的功能，要定義四個(gè)變量來保存采樣值m,m_1,n,n_1。程序如下：cont=(adc_7-128+m+m_1)/3;m_1=m;m=adc_7-128;.set =(adc_7-128+n+n_1)/3;n_1=n;n=adc_7-128;通過滑動的方法，每次計(jì)算偏差ek時(shí)取本次和前兩次的采樣值取平均的方法，實(shí)現(xiàn)了濾波的功能，并且通過變量m,m_1,n,n_1的遞推實(shí)現(xiàn)滑動的效果。6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析6.1 仿真的情況為了驗(yàn)證我們計(jì)算的數(shù)據(jù)是否正確，我們首先利用老師給的matlab仿真程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行了仿真，得到的情況如下：圖7 仿真效果圖從圖上的效果來看是能夠滿足控制的要求的，所計(jì)算的數(shù)據(jù)是正確的。6.2 上機(jī)調(diào)試過程以下為針對以上介紹的例子在成功時(shí)的輸出波形圖：圖8 成功輸出波形圖7 小結(jié)與體會本學(xué)期一開學(xué),我們就開始了為期一周的計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)、研讀范例程序、控制算法設(shè)計(jì)、軟件編程調(diào)試、實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)階段。最終在整個(gè)小組同學(xué)的共同努力和小組其他成員的幫助下，完成了此次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)并收獲甚多。感謝夏揚(yáng)老師和李敏艷的認(rèn)真負(fù)責(zé)和對我們的耐心指導(dǎo)，讓我在整個(gè)課