計算機控制課程設(shè)計.doc

1、計算機控制課程設(shè)計報告題目： 非最小拍控制設(shè)計 姓名： 李凱 學(xué)號： 070210310 姓名： 姜意馳 學(xué)號: 070210320 姓名: 孫韜 學(xué)號： 070210330 2010年12月3日計算機控制課程設(shè)計任務(wù)書專 業(yè)自動化班 級0702103學(xué) 生李凱 姜意馳 孫韜指導(dǎo)教師王曉麗題 目非最小拍控制設(shè)計設(shè)計時間2010年11 月 27 日 至 2010 年 12月3 日 共 1 周設(shè)計要求設(shè)計任務(wù)：已知含零階保持器的廣義被控對象為,針對單位速度輸入，設(shè)計具有抗系統(tǒng)參數(shù)變化能力的非最小拍系統(tǒng)，分析該設(shè)計當被控對象參數(shù)變化為時的系統(tǒng)輸出。方案設(shè)計:1. 采用Matlab完成控制系統(tǒng)的建立、

2、分析、設(shè)計和模擬仿真；2. 選擇元器件,完成電路設(shè)計，控制器采用MCS51系列單片機(傳感器、功率接口以及人機接口等可以暫不涉及）,使用Protel繪制原理圖；3. 控制算法采用單片機匯編語言編程實現(xiàn)（應(yīng)通過編譯，無語法錯誤）.報告內(nèi)容:1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟,應(yīng)包含Matlab仿真的性能曲線、采樣周期T的選擇、數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)和差分方程形式；2. 元器件選型過程,電路設(shè)計過程，繪制的Protel原理圖;3. 算法流程圖，含有詳細注釋的匯編源程序；4. 設(shè)計工作總結(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：2010年 11月 26 日一、題目分析

3、根據(jù)題目要求，含零階保持器的廣義被控對象為，針對單位速度輸入,設(shè)計具有抗系統(tǒng)參數(shù)變化能力的非最小拍系統(tǒng)，分析該設(shè)計當被控對象參數(shù)變化為時的系統(tǒng)輸出。二、設(shè)計非最小拍控制器1.離散控制器的計算根據(jù)非最小拍設(shè)計方法，計算過程如下: (1）按照速度輸入,有 （2） (3） (4）取=0.5時,將，分別代入上式，可以得到 （5）2.MATLAB仿真與參數(shù)調(diào)整在MATLAB中，使用simulink進行仿真，首先繪制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下： 圖1?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 分別調(diào)整各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，采樣周期選擇1s,輸入信號為. 其中D（z）表達式如（5）式，觀察控制器的輸出u（kT）以及系統(tǒng)的輸入r（t)輸出c(kT

4、）。（1） 當時,輸入r(t)輸出信號 c(kT） 的波形圖如下： 圖2.輸入輸出信號波形其中c（z)= 控制器的輸出u（kT)圖如下： 圖3。 （2)當輸入r（t）輸出信號 c（kT） 的波形圖如下: 其中 圖4 控制器的輸出u（kT)圖如下： 圖5從仿真的波形來看，取0。5時，G(z）變化，系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差仍然趨近于零。說明此控制器具有抗系統(tǒng)參數(shù)變化能力。 (6）差分方程為： （7）至此，數(shù)字控制器的理論設(shè)計就完成了。 三、電路的設(shè)計元器件選型過程,電路設(shè)計過程，繪制的Protel原理圖；1。 由于51 單片機大部分不帶AD 轉(zhuǎn)換器，所以模擬量的采集就必須靠A/D實現(xiàn).我們選擇8位精度的A

5、D 轉(zhuǎn)換器AD0804。ADC0804 是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器.它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖1）。（1) PIN1 （CS )：Chip Select,與RD、WR 接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)懭肱c否,當其為低位準(low） 時會active。(2） PIN2 （RD)：Read.當CS 、RD 皆為低位準(low) 時,ADC0804 會將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字訊號經(jīng)由DB7 DB0 輸出至其它處理單元。（3) PIN3 （WR）:啟動轉(zhuǎn)換的控制訊號。當CS 、WR 皆為低位準(low) 時ADC0804 做清除的動作，系統(tǒng)重置

6、。當WR 由01且CS 0 時，ADC0804會開始轉(zhuǎn)換信號，此時INTR 設(shè)定為高位準（high)。（4) PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR）：頻率輸入/輸出。頻率輸入可連接處理單元的訊號頻率范圍為100 kHz 至800 kHz。而頻率輸出頻率最大值無法大于640KHz，一般可選用外部或內(nèi)部來提供頻率.若在CLK R 及CLK IN 加上電阻及電容，則可產(chǎn)生ADC 工作所需的時序。（5) PIN5 （ INTR )：中斷請求.轉(zhuǎn)換期間為高位準(high)，等到轉(zhuǎn)換完畢時INTR 會變?yōu)榈臀粶?low）告知其它的處理單元已轉(zhuǎn)換完成，可讀取數(shù)字數(shù)據(jù)。(6) PIN6、PIN7 (

7、VIN（+)、VIN(-):差動模擬訊號的輸入端。輸入電壓VINVIN（+) VIN（-)，通常使用單端輸入，而將VIN(）接地.（7) PIN8 (A GND)：模擬電壓的接地端.AD與單片機電路如下:2DA選擇DAC0832。具有8位并行、中速（建立時間1us）、電流型、低廉（1020元)的特點。WR有效電平為低電平，此時DA轉(zhuǎn)換.設(shè)計電路將WR接單片機P3.6.由程序控制P3。6的高低.DA輸入端DI0DI7接單片機P2口.由程序控制P2的高低。DA與單片機的連接電路如下：DA輸出電路用雙極性電路, 使輸出電壓極性可正可負。電路圖如下：3設(shè)計單片機的電路需要考慮單片機的晶振電路，注意不要

8、忘記接電源。單片機晶振電路：PROTEL繪制原理圖： 圖6。數(shù)字控制器電路圖四、程序設(shè)計 1.程序流程圖主程序開始定時器初始化控制端口初始化循環(huán)等待中斷圖7。主程序流程圖開始初始化定時器0開定時器0中斷a=20 ? ?讀取AD值差分方程計算uk賦值給P2DA輸出YN更新uk1,uk2,uk3 ek1,ek2,ek3 圖8。中斷服務(wù)程序流程圖2。源程序:include reg51。h#define uchar unsigned char#define uintunsigned intsbit wr=P36； /定義DA采樣信號sbit adr=P32; /定義AD讀信號sbit adw=P33；

9、 /定義AD寫信號char uk1=0，uk2=0，uk3=0，ek=0,ek1=0，ek2=0,ek3=0； /前三次采樣值和前三次控制值uchar a=0;float uk;void delay（uint z）；void Initial(）;char ad0804();void main（) /主函數(shù) Initial（）；TR0=1； while(1)；void Initial（） /定時器初始化 adr=1； TMOD=0x01； TH0=0x3C; TL0=0XB0; ET0=1; EA=1；char ad0804（) /AD采樣函數(shù) uchar out; adw=1; adw=0;

10、adw=1； delay(20）；adr=0； delay（10）;adr=1；delay（10)；out=P1; return out；void t0(） interrupt 1 using 1 /定時器0中斷函數(shù) a+； TR0=0； TH0=0x3C; TL0=0xB0； /重裝初值 TR0=1; if（a=20) a=0; wr=0; ek=ad0804(); ek=ek-128; /采樣實際偏差值 uk=1.5*uk1-0。5*uk3+3ek-1。5*ek1ek2+0。5*ek3； /差分方程 if（uk>0) /當前輸出值大于0 if(uk>127） uk=127； /

11、判斷是否溢出，溢出取極值 P2=（char)(uk）+128； /控制器輸出值 else /當前輸出值小于0 if（uk<127) uk=-127; /判斷是否溢出,溢出取極值 P2=(char）（uk)+128； /控制器輸出值 uk3=uk2; uk2=uk1; uk1=uk； ek3=ek2； ek2=ek1;ek1=ek； /更新采樣值和控制值wr=1; /DA輸出 void delay(uint z) /延時函數(shù),延時1msuint t1,y;for(t1=z;t1>0；t1-）for(y=110；y>0；y-）；五、設(shè)計心得 本次課程設(shè)計讓我們進一步熟悉并掌握了數(shù)字控制器設(shè)計的一般步驟，以及使用MALAB、PROTEL、KEIL等軟件進行設(shè)計、分析、仿真的過程。和以往的課程設(shè)計不同，這次課程設(shè)計不再是個人工作,而是團隊合作，從一開始的分析題目,到后來的分工合作,我們?nèi)齻€小組成員都配合默契。在設(shè)計過程中遇到的一些問題，比如控制器設(shè)計方案的選擇，MATLAB仿真模型的建立、控制器程序的設(shè)計等