大林算法控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：大林算法控制系統(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(dòng)化班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：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、課題名稱大林算法控制系統(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(duì)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(dòng)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(shí)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

2、的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)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(duì)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(duì)象。2.控制算法：大林控制算法。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、大林算法控制程序、D/A輸出

3、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(duì)象的輸出和給定信號(hào)3 .每個(gè)同學(xué)選擇不同的被控對(duì)象:G(s)GG(s)G(s)5=0.5se,(s1)(0.8s1)8.1se(0.8s1)(0.4s1)5e1.5s,(s1)(0.2s1)51se(0.8s1)(0.3s1)G(s)G(s)G(s)G(s)10a1.5se(s1)(0.4s1)8八0.5se(0.4s1)(0.5s1)8e2s(0.8s1)(0.2s1)52se(0.8s1)(0.2s1)4 .對(duì)象的純延遲環(huán)節(jié)es用軟件通

4、過數(shù)組單元移位實(shí)現(xiàn)。5 .定時(shí)中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足T(0.21)11,6.閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T按的被控對(duì)象最大時(shí)間常數(shù)選擇。23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 .有振鈴和消除振鈴的系統(tǒng)階躍輸出和控制器。六、進(jìn)度安排序號(hào)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

5、.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(duì)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)果及其分析。8 .體會(huì)。第二部分課程設(shè)計(jì)報(bào)告1課程簡介.71.1程設(shè)計(jì)目的71.2程設(shè)計(jì)內(nèi)容71.3程設(shè)計(jì)要求72方案設(shè)計(jì)82.1控制系統(tǒng)整體方案82.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理83大林算法硬件電路設(shè)計(jì)82.1 A/D采樣電路82.2 D/A輸出電路.102.3給定對(duì)象硬件電路設(shè)計(jì)112.4總硬件圖114控制算法設(shè)計(jì)112.5控制算法的原理122.6計(jì)算機(jī)實(shí)

6、現(xiàn)的計(jì)算機(jī)推導(dǎo)公式122.7采樣周期13軟件編程設(shè)計(jì)13主程序與中斷流程圖13部分控制程序代碼14實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析17小結(jié)與體會(huì)17參考文獻(xiàn)181、課題簡介課題目的課程設(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(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)

7、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)。課題內(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(duì)象構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。.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(duì)象。.控制算法：大林控制算法。.軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。1.3課題要求.模入電路能接受雙極性電壓輸入(-5V+5V),模出電路能輸出

8、雙極性電壓(-5V+5V)。.模入電路用兩個(gè)通道分別采集被控對(duì)象的輸出和給定信號(hào)_805s.選擇被控又腭L：G(s)e,T(0.4s1)(0.5s1).對(duì)象的純延遲環(huán)節(jié)es用軟件通過數(shù)組單元移位實(shí)現(xiàn)。.定時(shí)中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足T(0.21)_11,.閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T按的被控對(duì)象最大時(shí)間常數(shù)選擇。23.大林算法控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體介紹圖 2.1-1 大林算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對(duì)象具有較大的純滯后時(shí)間，可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來表示，其傳遞函數(shù)為K一階對(duì)象：G(s)es,NT,Tis1二階對(duì)象：G(s)es,

9、NT,(s1)(T2s1)大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即不1s(s)-es,NT,s1并希望整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對(duì)象的純滯后時(shí)間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，純滯后時(shí)間與采樣周期T有整數(shù)倍關(guān)系，(N=1,2.?？刂葡到y(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林算法控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)先進(jìn)行A/D采樣，將給定值采樣值取到單片機(jī)內(nèi)，之后單片機(jī)會(huì)選擇另外一路通道，進(jìn)行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機(jī)內(nèi)后，在單片機(jī)中進(jìn)行差值E(K)計(jì)算，再通過單片機(jī)中的算法程序得到輸出量U(K),再經(jīng)過D/A變換器，將輸出結(jié)果作用于被控對(duì)象。經(jīng)被控對(duì)象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片

10、機(jī)內(nèi)。.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)A/D采樣電路該實(shí)3的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示(s)相當(dāng)于一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性r(t)上圖所示的是ADC0809與8051連接的硬件電路圖， 其中在ADC0809中，IN-6、IN-7分別采樣給定信號(hào)和反饋信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器的引腳A接單片機(jī)的P1A6,用于選擇采樣通道。控制計(jì)算機(jī)的定時(shí)器作為基準(zhǔn)時(shí)鐘（初始化為50ms）,在第一次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，此時(shí)P1A6=0,選擇的IN-6,采樣的是給定信號(hào)，當(dāng)采樣周期到時(shí)，此時(shí)P1A6=1,同時(shí)在定時(shí)器中啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)采樣的是反饋信號(hào)，給定信號(hào)和反饋信號(hào)的采樣值分別存儲(chǔ)在程序的RK和UK1中。模數(shù)單元采

11、用ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分。其主要特點(diǎn)為：單電源供電、工作始終CLOCK最高可達(dá)1200KHZ、8位分辨率、8個(gè)單端模擬輸入端（IN0IN7）、TTL電平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。通過三端地址譯碼A、B、C多路開關(guān)可選通8路模擬輸入的任彳S一路進(jìn)行A/D變換。其中IN1-IN5的模擬量輸入允許范圍：0V4.98V,對(duì)應(yīng)數(shù)字量為00HFFH,2.5V對(duì)應(yīng)80H;IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻，所以模擬量輸入允許范圍：-5V+4.98V,對(duì)應(yīng)數(shù)字量00HFFH,0V對(duì)應(yīng)80H。在設(shè)計(jì)過程中使用的TD-ACC+教學(xué)系統(tǒng)中的ADC0809芯片，其輸出八

12、位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)鐘1MCLK（1MHZ）上。其它控制線根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可另外連接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0-IN7）,如圖3-1（2）所示。其中IN6和IN7可以測(cè)量-5V+5V的量，主要是因?yàn)榧恿送獠侩娐?。如圖所示，在IN6和IN7的實(shí)際輸入端其輸入范圍為05V,在外圍電路中，采用兩個(gè)相同電阻分壓的方式，因?yàn)榻o了一個(gè)5V的電壓，當(dāng)輸入端為-5V時(shí)，0809的實(shí)際輸入端為兩者相加之和的一半，為0V,在0809采樣電壓的范圍以內(nèi)。但將該采樣值取進(jìn)單片機(jī)內(nèi)后，其表示范圍為-128127,對(duì)應(yīng)為05V的電壓，所以我們需要在程序里將采樣值減去1

13、28以使采樣值與設(shè)定值相對(duì)應(yīng)。因此加了外部電路,D/A輸出電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時(shí)間100NS,滿量程誤差1/2LBS,參考電壓-10V-+10V,供電電壓+5V-+15V,輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00HFFH,80H對(duì)應(yīng)于0V,輸出電壓為-5V+4、96V。在課程設(shè)計(jì)過程中采用的TD-ACC嗷學(xué)系統(tǒng)中的TLC7528,其輸入數(shù)字量得八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經(jīng)接至控制計(jì)算機(jī)的總線上。片選線預(yù)留出彳f實(shí)驗(yàn)中連接到相應(yīng)的I/O片選上，如圖3-2。該芯片TLC7528可以雙極性輸出，但須在單片

14、機(jī)中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進(jìn)彳TD/A輸出。0809就可以采集-5+5V的電壓了。圖3-2D/A輸出電路給定對(duì)象硬件電路設(shè)計(jì)圖3-3給定對(duì)象硬件電路圖如圖3-3所示，為被控對(duì)象的硬件電路的設(shè)計(jì)圖，在本次的課程設(shè)計(jì)中的被控對(duì)象傳遞函數(shù):算放大器的積分部分為150010000.5,實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的第一部分，第二個(gè)運(yùn)算放大器的積分部分為220010000.4,實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的第二部分?？傆布D圖3-4總硬件圖G(s)e(0.4s1)(0.5s1)0.5s,T,其中比例部分由兩個(gè)運(yùn)算放大器組合實(shí)現(xiàn)，即，第一個(gè)運(yùn)nJJnJJ- -L L:-X-XL LFMU匕苦w.大林算法控制系

15、統(tǒng)算法設(shè)計(jì)控制算法的原理u(k)0.1353u(k1)0.8647u(k2)0.087e(k)0.6544e(k1)0.1054e(k2).則程序中kk00.087,kk10.6544,kk20.1054,pp10.1353,pp20.8647,pp30計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)公式推導(dǎo)在4、1中得到了D(z)的最終表達(dá)式，而在本實(shí)驗(yàn)中，被控對(duì)象為11從而可以知道被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)為，增益K=8,根據(jù)T按11最大時(shí)間常數(shù)取值，取T=0.4s。將各23個(gè)參數(shù)代入計(jì)算：KK0=0.077,KK1=-0.9085,KK3=0.0017864,PP1=0.3495,PP2=0.95436,PP3=0.0395

16、14。對(duì)應(yīng)的遞推公式：u(k)=0.3495u(k-1)+0.95436u(k-2)+0.039514u(k-3)+0.077e(k)0.9085e(k-1)+0.0017864e(k-2)實(shí)驗(yàn)算法中，用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對(duì)應(yīng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(s)80.5se(0.4s1)(0.5s1)T,將代入，并進(jìn)行Z變換：D(z)0.50.250.50.410.50.51、(1e)(1ez)(1ez)10.50.251228(c1c2z)1ez(1e)z1式中G1(0.4e050.40.5e1)0.307,0.1C2e.5(10.41.5)(0.4e10.5e0.50.4)0.93380.1經(jīng)計(jì)

17、算D(z)03521(1O2865z1)(1O3679z1)(13.0415z1)(10.1353z10.8647z2)無振鈴時(shí)，有z1,貝U(c,c2z1)1.2408,于是D(z)0.087(10.2865z1)(10.3679z1)(10.1353z10.8647z2)對(duì)應(yīng)的遞推公式為由于在二階對(duì)象中是引起振鈴的極點(diǎn)因子，令z=1,于是可以得到u(k)=0.0821u(k-1)+0.9179u(k-2)+0.0821e(k)0.0303e(k-1)+0.0019e(k-2)在程序中：KK0=0.0821,KK1=-0.0303,KK2=0.0019,PP0=0.0821,PP1=0.91

18、79,PP2=0。采樣周期的選擇在本實(shí)驗(yàn)中，定時(shí)中斷間隔選取50ms,采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又要滿足，而由.大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)主程序與中斷流程圖主程序流程圖：采樣中斷服務(wù)程序流程圖:被控對(duì)象的表達(dá)式可知，所以取N=1,s,取 T0.5sO圖 5.1-1部分控制程序代碼.主程序部分源碼：voidmain(void)(TMOD=0 x01;t0_h=(65536-15536)/256;t0_l=(65536-15536)%256;t0_l=t0_l+20;TH0=t0_h;TL0=t0_l;IT1=1;EX1=1;ET0=1;TR0=1;TC=1;DAC_1=0 x80

19、;UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;RK=RK_1=RK_2=RK_3=0;bb=0;中斷程序圖 5.1-2計(jì)算定時(shí)器0初值/修正因初值重裝而引起的定時(shí)誤差/邊沿觸發(fā)中斷/開外部中斷1/開定時(shí)中斷0啟動(dòng)定時(shí)器/D/A清零變量清零EA=1;/開總中斷FLG=0;DOUT0=0;while(1);)主程序的功能主要是：對(duì)定時(shí)器的賦值、開外中斷、初始各變量，其中環(huán)，等待中斷到來。EK_1=RK_1-UK_1;EK_2=RK_2-UK_2;EK_3=RK_3-UK_3;2.采樣中斷程序的部分源碼：(1)判斷同步信號(hào)程序：DIN0=1;if(DIN0)UK=

20、UK_1=UK_2=UK_3=0;EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;RK=RK_1=RK_2=RK_3=0;DAC_1=0 x80;TC=1;)(2)雙通道采樣：TC-;if(TC=0)if(FLG=0)RK=ADC_7-128;DOUT0=1;FLG=1;TC=TK;)elseFLG=0;UK=ADC_7-128;DOUT0=0;EK=RK-UK;/讀取輸入前，先輸出高電平判同步信號(hào)到否/D/A輸出零判采樣周期到否/采樣當(dāng)前的給定值采樣當(dāng)前的輸出值，并計(jì)算偏差的變化量while(1)是使主程序進(jìn)入死循i=KK*0EK*+KK1*EK1+EK2*KK2j=PP1*UK_1+PP2*UK_

21、2+PP3*UK_3;UK=G*i+j;if(UK0)/判控制量是否溢出，溢出賦極值(if(UK127)aa=127;elseaa=(char)UK;else(if(UK-128)aa=-128;elseaa=(char)UK;DAC_1=bb+128;bb=aa;UK_3=UK_2;UK_2=UK_1;UK_1=UK;EK_3=EK_2;EK_2=EK_1;EK_1=EK;TC=TK;雙通道采樣原理說明：由于在主程序中，將DOUT2置“0”，已經(jīng)選擇了采樣通道IN6,第一次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲(chǔ)在RK中，同時(shí)將DOUT2置“1”，這時(shí)將A/D通道IN7選中，等待

22、采樣周期到時(shí)，則采樣反饋信號(hào)，并將采樣值存儲(chǔ)在UK1中，在變量定義中，已經(jīng)將P1.6定義為DOUT2,故改變DOUT2值就改變了P1.6。中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能：對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣值存儲(chǔ)在RK中，同時(shí)將DOUT2置T,將A/D通道IN7選中，待采樣周期到時(shí)，則采樣反饋信號(hào)，并將采樣值存儲(chǔ)在UK1中，接下來便是計(jì)算偏差E(k),計(jì)算U(k),將值通過端口DAC_1在下一周期到來時(shí)輸出；再次在該中斷程序中，增加一個(gè)變量bb1,用于存儲(chǔ)前一周期的輸出值，這樣使得輸出量能夠延遲1秒輸出；最后就是通過遞推公式，計(jì)算實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的不斷優(yōu)化。該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是對(duì)定時(shí)器的重新裝值，同時(shí)，當(dāng)采樣周期到時(shí)，啟動(dòng)A/D,用于對(duì)轉(zhuǎn)換反饋信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。.實(shí)驗(yàn)結(jié)果|T1-T2|=458,8m|V1-V2|=51Z9mv1/|T1-T2|=2.13Hz|71-V2|=512.8mv/D/A輸出控制量/控制量遞推偏差遞推采樣周期變量恢復(fù)葭 I.r7j/J.j._J._i/-11111111IL_1._1l_rJ.IiL|r|，/1111