小功率隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、一、 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)1. 依據(jù)動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，并選擇校正方法；2. 得到離散域的校正算法；3. 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法及顯示等要求。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件環(huán)境1. MATLAB仿真 對(duì)系統(tǒng)建模、仿真 得到階躍、脈沖等響應(yīng)圖形 根軌跡繪制2. uVision2編程環(huán)境 啟動(dòng)uVision2,創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目 創(chuàng)建新的源文件 添加配置啟動(dòng)代碼 為目標(biāo)設(shè)置工具選項(xiàng) 編譯項(xiàng)目,創(chuàng)建hex文件3. S51ISP軟件 S51系列單片機(jī)的在線編程軟件。 安裝軟件后，1) 打開S51ISP下載軟件，右側(cè)方框顯示：初始化并口完成 ；2) 單擊擦除器件，顯示擦除器件完成；3) 單擊打開文件，裝載.hex文件

2、或.bin文件，顯示讀入文件xxxxxxx到緩沖區(qū)1xxxxx字節(jié)；4) 單擊（自動(dòng)）寫器件，顯示寫器件完成。5) 至此，程序正常下載到器件中。三、 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)與仿真1. 原系統(tǒng)模型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：2. 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)PID校正環(huán)節(jié)由于以前做過PID相關(guān)控制環(huán)節(jié)，對(duì)PID各項(xiàng)意義比較了解，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試得到PID校正器：D（z）3.4-2z-1（一階后差變換法D（s）=1.4+0.032s）對(duì)應(yīng)比例系數(shù)Kp=1.4、微分系數(shù)Kd=2、積分系數(shù)為0調(diào)試依據(jù)： 比例P項(xiàng)增大使開環(huán)增益提高，調(diào)節(jié)作用變強(qiáng)，上升時(shí)間變小，閉環(huán)中產(chǎn)生恒定的穩(wěn)態(tài)誤差，而且P值越大，穩(wěn)態(tài)誤差越大。但是在此系統(tǒng)中

3、P項(xiàng)增大會(huì)使系統(tǒng)靜態(tài)誤差減?。丛龃驥1）。 微分項(xiàng)增大使上升時(shí)間變大，產(chǎn)生一定延時(shí)，但是可以消除振蕩； 積分項(xiàng)增大使上升時(shí)間變小，并且消除控制器的穩(wěn)態(tài)誤差，但是會(huì)加大系統(tǒng)的振蕩性。系統(tǒng)未加PID校正器時(shí)，K12上升時(shí)間較小，靜態(tài)精度均滿足要求，但是有一定振蕩，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)不滿足要求。故不加積分I校正，只采用PD校正，經(jīng)調(diào)試得比例系數(shù)Kp=1.4、微分系數(shù)Kd=2時(shí)，控制效果較好。3. 加入PD校正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)模型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：4. 仿真結(jié)果：未加校正未加采樣階躍響應(yīng) 未加校正加采樣階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts=389ms、超調(diào)=19.76% 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=624ms、超調(diào)=43.12，對(duì)應(yīng)=0.4

4、587、n=25.2220 對(duì)應(yīng)= 0.2586 n= 27.8819加PD校正階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts=227ms、超調(diào)=0% 滿足0.9 n20 rad/s對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts<250ms，超調(diào)<0.1524%的動(dòng)態(tài)特性要求。5. 根軌跡驗(yàn)證：未加校正開環(huán)根軌跡及K=1時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置加PD校正后開環(huán)根軌跡及K=1時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置可得未加校正時(shí)系統(tǒng)根軌跡有處于實(shí)軸外部分，且當(dāng)K1時(shí)有閉環(huán)極點(diǎn)-23.6±41.5i，動(dòng)態(tài)參數(shù)不滿足要求，有較大超調(diào)。PD校正環(huán)節(jié)為在原系統(tǒng)兩極點(diǎn)之間加入一零點(diǎn)-43.7，使得根軌跡均處于實(shí)軸上，故無論K取多少系統(tǒng)都沒有超調(diào)。加入PD校正后系統(tǒng)動(dòng)

5、態(tài)參數(shù)滿足要求。四、 數(shù)字控制系統(tǒng)組成和工件原理單片機(jī)系統(tǒng)硬件框圖如下圖1. CPU 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：1) 做定時(shí)器使用時(shí)，對(duì)振蕩源的12分頻的固定脈沖計(jì)數(shù)。2) 與之相關(guān)的特殊功能寄存器包括：計(jì)數(shù)寄存器TH和TL、控制寄存器TCON、方式控制寄存器TMOD、等。3) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式：方式0、方式1、方式2、方式3。4) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化： 初始化步驟：a) 確定工作方式編成TMOD寄存器；b) 計(jì)算計(jì)數(shù)初值，并裝載到TH和TL寄存器；c) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器在終端方式工作時(shí)，開CPU中斷和源中斷編程IE寄存器；d) 啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器編程TCON中的TR1或TR0位。5) 計(jì)數(shù)初值的計(jì)算：a

6、) 計(jì)數(shù)功能：X= 2n -計(jì)數(shù)值 n：8/13/16 b) 定時(shí)功能：X= 2n - t/T t：定時(shí)時(shí)間（s） T：機(jī)器周期12/晶振頻率 中斷入口表：編號(hào)中斷源入口地址0外部中斷00003H1定時(shí)/計(jì)數(shù)器0000BH2外部中斷10013H3定時(shí)/計(jì)數(shù)器1001BH4串行口中斷0023H5定時(shí)/計(jì)數(shù)器2002BH1) 中斷響應(yīng)條件：a) 有中斷請(qǐng)求信號(hào)b) 系統(tǒng)處于開中斷狀態(tài)2) 中斷響應(yīng)過程：c) 保護(hù)斷點(diǎn)：將斷點(diǎn)地址壓入堆棧保存，即當(dāng)前PC值入棧。d) 尋找中斷源：中斷服務(wù)程序硬件入口®PC，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)。e) 中斷處理：執(zhí)行中斷源所要求的程序處理段。f) 中斷返回：執(zhí)行RE

7、TI指令，棧頂內(nèi)容®PC，程序跳轉(zhuǎn)回?cái)帱c(diǎn)處。2. A/D轉(zhuǎn)換 使用ADC0809采集兩路信號(hào)，一路為位置信號(hào)，采集后送到顯示器顯示；另一路為誤差信號(hào)，用于進(jìn)行控制算法的輸入。 ADC 0809為8路輸入通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可分時(shí)轉(zhuǎn)換8路模擬信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。A/D轉(zhuǎn)換器0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC 0809與單片機(jī)連接 操作過程 ：1) 連線：片選端CS5接20-272) 選中通道及片選和地址所存使能軟件操作：向端口（地址為1B201B27）寫數(shù)據(jù)（虛寫）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；收到轉(zhuǎn)化結(jié)束信號(hào)后讀取數(shù)據(jù)。3. D/A轉(zhuǎn)換 使用DAC 0832完成控制算法計(jì)算值的輸出； DAC

8、0832是8位雙緩沖器結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入寄存器和轉(zhuǎn)換寄存器分別分配各自的地址，可分別選通同時(shí)輸出多路模擬信號(hào)； 也可PWM方法完成D/A輸出。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DAC 0832與單片機(jī)連接 操作過程 ：1) 連線：片選端CS6接28-2f，輸出端為AOUT；2) 軟件操作：向輸入寄存器端口（地址為1B28）寫數(shù)據(jù)；3) 向DAC寄存器（地址為1B29）寫數(shù)據(jù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。4. 顯 示 使用由發(fā)光二極管組成的LED顯示器1) 不同的發(fā)光段亮可組成不同的字型（字型表在后）。2) 電流大，耗電量大；電流小，發(fā)光量不夠。一般設(shè)計(jì)時(shí)，其工作電流一般選為10mA。3) LED數(shù)碼管顯示器一般分

9、為共陽極和共陰極。 使用8279作為顯示器的控制芯片。 特點(diǎn)： 1) 8279是可編程的鍵盤顯示接口芯片；2) 自動(dòng)完成鍵盤的掃描輸入，自動(dòng)清除按鍵抖動(dòng)；3) 自動(dòng)完成LED掃描顯示。 組成：1) I/O控制和數(shù)據(jù)緩沖器; 2) 控制和定時(shí)寄存器及定時(shí)控制部分; 3) 掃描計(jì)數(shù)器; 4) 回送緩沖器與鍵盤去抖動(dòng)控制電路; 5) FIFO（先進(jìn)后出）寄存器和狀態(tài)電路; 6) 顯示器地址寄存器及顯示RAM。 數(shù)碼管原理圖、外形圖及段碼表 數(shù)碼管原理 數(shù)碼管外形字型共陽極段選碼共陰極段選碼字型共陽極段選碼共陰極段選碼0C0H3FH880H7FH1F9H06H990H6FH2A4H5BHA88H77H

10、3B0H4FHB83H7CH499H06HCC6H39H592H6DHDA1H5EH682H7DHE86H79H7F8H07HF8EH71H段碼表 8279與CPU的連接1) 連線：片選端CS7接30-37； 地址口1B31，數(shù)據(jù)口1B30 連接LED與8279的A0A3和B0B3；2) 軟件：a) 初始化：總清除命令送命令口()； 等待清除結(jié)束； 送鍵盤顯示方式命令； 送時(shí)鐘分頻命令b) 顯示數(shù)據(jù)：送顯示位置命令 向數(shù)據(jù)口送數(shù)據(jù)。 ；圖10 8279與CPU的連接五、 數(shù)字控制器硬件電路設(shè)計(jì)1. A/D外圍硬件電路A/D采樣為對(duì)給定電位器和反饋電位器輸出電平之差，由兩電位器輸出范圍均為

11、77;12V，得兩電位器輸出電平之差范圍為±24V，但是考慮到隨動(dòng)系統(tǒng)中兩電位器輸出電平之差一般不會(huì)太大同時(shí)出于靈敏度及A/D采樣精度考慮，認(rèn)為兩電位器輸出電平之差范圍為±12V。A/D采樣的電平范圍為0-5V，因此有必要增加一電平轉(zhuǎn)換電路，將±12V線性轉(zhuǎn)換為0-5V。 A/D采樣電平轉(zhuǎn)換電路：實(shí)際電路中A/D通道1用來對(duì)給定電位器和反饋電位器輸出電平之差采樣，通道0用來對(duì)反饋電位器輸出電平即位置進(jìn)行采樣。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)通道0加入電平轉(zhuǎn)換電路后對(duì)主電路干擾很大（靜態(tài)精度很大幅度降低），經(jīng)分析得出是電平轉(zhuǎn)換電路對(duì)原電路分流使反饋電位器輸出電平下降，因此對(duì)通道0加入輸入

12、阻抗極大的電壓跟隨器：通道0電壓跟隨器2. D/A外圍硬件電路給定電位器和反饋電位器輸出電平之差范圍為±24V，經(jīng)過控制器增益后約±30V，而D/A輸出電平范圍為0-5V，所以應(yīng)該加入電平轉(zhuǎn)換電路。但是考慮到隨動(dòng)系統(tǒng)中給定電位器和反饋電位器輸出電平之差一般在一個(gè)小范圍內(nèi)變化，所以此系統(tǒng)中D/A不選用電平轉(zhuǎn)換電路。另外即使出現(xiàn)給定電位器和反饋電位器輸出電平之差很大的情況，沒加電平轉(zhuǎn)換電路只是相當(dāng)于加入了限幅環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)沒有影響，而對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)影響不大可以忽略。故本系統(tǒng)不加D/A電平轉(zhuǎn)換電路。六、 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)D（s）=1.4+0.032s由一階后差變換法得D（z）3.

13、4-2z-11. 編程算法的實(shí)現(xiàn)： 數(shù)字控制器的形式：寫成如下形式：其對(duì)應(yīng)的差分方程為：得2. 編程算法改進(jìn)：實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)使用控制時(shí)，存在兩個(gè)問題：一、調(diào)節(jié)時(shí)間接近250ms；二、穩(wěn)態(tài)時(shí)反饋電位器指針有些微抖動(dòng)，經(jīng)分析得出原因是穩(wěn)態(tài)時(shí)A/D采樣誤差（不是穩(wěn)定值，而是±1范圍跳動(dòng)）使穩(wěn)態(tài)時(shí)比例項(xiàng)P幾乎為零而微分項(xiàng)D不為零導(dǎo)致抖動(dòng)。解決方法：一、分段比例P控制，在偏差大時(shí)P取4.5，偏差小時(shí)P取1.4。（如此既不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，又減小調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)滿足靜態(tài)精度1.5°要求）二、分段微分D控制，僅在偏差變化較小時(shí)加入微分項(xiàng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)不加入微分環(huán)節(jié)，即當(dāng)微分項(xiàng)小于一定值時(shí)，將微分項(xiàng)置0

14、。（如此既消除超調(diào)，又不怎么影響調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還消除穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖動(dòng)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩個(gè)問題得到很好解決。3. 系統(tǒng)仿真：數(shù)字控制器設(shè)計(jì)完成后，用MATLAB仿真，得到系統(tǒng)的仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖，求出系統(tǒng)指標(biāo)。 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=227ms、超調(diào)=0% 滿足0.9 n20 rad/s對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts<250ms，超調(diào)<0.1524%的動(dòng)態(tài)特性要求。軟件流程圖：子程序流程圖：七、 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試電路：1. 靜態(tài)： 未加校正環(huán)節(jié)1) 反饋電位器完全跟隨給定電位器；2) 靜態(tài)角度幾乎沒有偏差，靜態(tài)精度<1.5度；3) D/A輸出120mv時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；4) D/A輸出±

15、5V時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)速26弧度/秒左右。 加入設(shè)計(jì)的PD控制器1) 反饋電位器完全跟隨給定電位器；2) 靜態(tài)精度<1度；3) D/A輸出120mv時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；4) D/A輸出±5V時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)速26弧度/秒左右。2. 動(dòng)態(tài) 未加校正環(huán)節(jié)算得調(diào)節(jié)時(shí)間ts=860ms、超調(diào)=38.33，算得對(duì)應(yīng)= 0.2919 n= 17.1267 加入設(shè)計(jì)的PD控制器算得調(diào)節(jié)時(shí)間ts=200ms、超調(diào)=0，對(duì)應(yīng)= 0.2919 n= 17.1267滿足0.9 n20 rad/s對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts<250ms，超調(diào)<0.1524%的動(dòng)態(tài)特性要求?？傊到y(tǒng)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性均滿足要求，而且位置顯示

16、正常。八、 參考書籍1. 自動(dòng)控制原理程鵬2. 數(shù)控小功率隨動(dòng)系統(tǒng)孫丹3. 測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)孫傳友九、 體會(huì)建議數(shù)字校正器我們選用PID校正，根據(jù)實(shí)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果決定不用積分環(huán)節(jié)（系統(tǒng)本身超調(diào)已經(jīng)較嚴(yán)重）。使用傳統(tǒng)的PD校正時(shí)發(fā)現(xiàn)了增大比例項(xiàng)P后調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度滿足要求（P越大ts越?。浅{(diào)量不滿足要求（P越大即K1越大，K1越大超調(diào)越大穩(wěn)態(tài)精度越高），而減小P后超調(diào)量滿足要求但是調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。為此我們不使用傳統(tǒng)的PID校正，而采用分段PID校正法，即偏差大時(shí)P大，偏差小時(shí)P小，調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)精度和超調(diào)量均滿足要求。另外，實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)反饋電位器指針

17、有些微抖動(dòng)，經(jīng)分析得出原因是穩(wěn)態(tài)時(shí)A/D采樣誤差（不是穩(wěn)定值，而是±1范圍跳動(dòng)）使穩(wěn)態(tài)時(shí)比例項(xiàng)P幾乎為零而微分項(xiàng)D不為零導(dǎo)致抖動(dòng)。我們同樣通過分段微分D控制，僅在偏差變化較小時(shí)加入微分項(xiàng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)不加入微分環(huán)節(jié)，即當(dāng)微分項(xiàng)小于一定值時(shí)，將微分項(xiàng)置0。結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)既沒有消除超調(diào)，又不怎么影響調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)還消除穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖動(dòng)。理論上單片機(jī)系統(tǒng)的電源為5V、A/D采樣范圍為05V、D/A輸出±5V，實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)電源為4.86V，所以在A/D電平轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)該適加調(diào)整以使輸入為0V時(shí)，A/D采樣輸出為128；D/A輸出時(shí)發(fā)現(xiàn)128對(duì)應(yīng)的輸出電壓不并為0V，132對(duì)應(yīng)的輸出電壓才為0

18、V，所以在程序中D/A輸出對(duì)應(yīng)的0V并不是128，而是132。由于之前做過幾次PID校正，所以對(duì)PID較熟悉，因此我們并不是先對(duì)系統(tǒng)仿真再設(shè)計(jì)控制器，而是直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID調(diào)試，調(diào)試好后，再通過根軌跡驗(yàn)證等驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)試得到的PID控制器，在根軌跡等仿真中也是很合理的。通過這次課設(shè)，我們將之前學(xué)習(xí)到的很多知識(shí)應(yīng)用上，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)不少實(shí)際問題（穩(wěn)態(tài)抖動(dòng)、電源實(shí)際電壓和理論電壓不一致等等），經(jīng)過分析我們一一找到了解決方法，這使我們實(shí)踐動(dòng)手能力有一個(gè)很大的提高。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們并沒有完全按照指導(dǎo)書的內(nèi)容按部就班地做，而是根據(jù)以往實(shí)踐加入不少自己的想法，最后發(fā)現(xiàn)較快且較好地完成了這次課

19、程設(shè)計(jì)。附：程序/頭文件 #include <AT89X52.H> /89C52寄存器定義頭文件#include <ABSACC.H> /存儲(chǔ)器分配宏定義/全部變量定義#define add_8279 XBYTE0x1b30 /定義8279的數(shù)據(jù)口地址#define command_8279 XBYTE0x1b31 /定義8279的命令口地址#define add_adc0809_in0 XBYTE0x1B20 /address of adc0809 in0#define add_adc0809_in1 XBYTE0x1B21 /address of adc0809 i

20、n1#define add_buffer_dac0832 XBYTE0x1B28 /address of buffer of dac0832#define add_data_dac0832 XBYTE0x1B29 /address of inable of dac0832unsigned char adc_read_data,adc_read2_data; /一通道adc_read_data unsigned char add_write_data; /da輸出unsigned char i,j;int adc_read3_data,adc_read4_data,adc_read5_data;

21、/平均濾波int sita=0; /位置變量int const_sita=0; /每20個(gè)timer1中斷進(jìn)行一次位置顯示的計(jì)數(shù)標(biāo)志int en_1=0,en=0,en_d=0,en_p=0; /PID變量int Kp=9,Kd=8;int pn;int out_d=0,out_p=0;/段碼表 unsigned char dis_num = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c; /LED顯示用void init_all(void); /初始化函數(shù) void pid(void);void dis_8279(in

22、t num2); /8279顯示函數(shù) void timerr1(); /Timer1中斷程度 PWM控制void main(void)/主程序 init_all(); /初始化8279 while(1) /waittimer1 interrupt void init_all(void)/初始化程序 command_8279 = 0xd1; command_8279 = 0x00; command_8279 = 0x2a; EA=1; ET1=1; /timer1開中斷 ES=1; TMOD=0x15; /T1 counter model 1 T0 timer modetl 1 TH1=0xc6

23、;TL1=0x00; /TH1=0xa6;TL1=0x00;time 25ms foc=11.0592MHz here time 16.1ms TR1=1; / 初始化T1， 并啟動(dòng)T1 start T0 EX0=0;void dis_8279(int num2) unsigned char hun=0,ten=0; command_8279 = 0x82; add_8279=dis_numnum2/100;ten=num2%100;command_8279 = 0x81; add_8279=dis_numten/10;command_8279=0x80;add_8279=dis_numten

24、%10;/show the sita void pid() en=adc_read_data; en_p=(en-128); /the p if(en_p<10)|(en_p>-10) out_p=Kp*en_p/5; else out_p=(Kp*en_p/2); if(out_p>70) /比例限幅 out_p=70; else if(out_p<-70) out_p=-70; en_d=en-en_1; /the d if(en_d<=2)&&(en_d>=-2) out_d=0; else if(en_d>2)&&(en_d<40)|(en_d<-2)&&(en_d>-40) /微分限幅和消抖動(dòng) out_d=Kd*en_d/4; else out_d=0; if(pn>