大林算法控制系統(tǒng)設計

1、揚州大學能源與動力工程學院課程設計報告題目：大林算法控制系統(tǒng)設計課程：計算機控制技術課程設計專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名：學號：第一部分任務書計算機控制技術課程設計任務書、課題名稱大林算法控制系統(tǒng)設計二、課程設計目的課程設計是課程教學中的一項重要內容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義。計算機控制技術是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面

2、的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調試工作打下基礎。三、課程設計內容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1 .硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2.控制算法：大林控制算法。3.軟件設計：主程序、中斷程序、A/D轉換程序、濾波程序、大林算法控制程序、D/A輸出

3、程序等。四、課程設計要求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 .模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號3 .每個同學選擇不同的被控對象: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 .對象的純延遲環(huán)節(jié)es用軟件通

4、過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5 .定時中斷間隔選取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)時間常數(shù)T按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。23有關的設計資料可參考計算機控制實驗指導書的相關內容。五、課程設計實驗結果1 .控制系統(tǒng)能正確運行。2 .有振鈴和消除振鈴的系統(tǒng)階躍輸出和控制器。六、進度安排序號內容天數(shù)1布置任務，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設計1.53熟悉實驗箱及C語言開發(fā)環(huán)境，研讀范例程序，14控制算法設計15軟件編程，調試16實驗17總結，撰寫課程設計報告1七、課程設計報告內容：總結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：1

5、.課程設計的目和設計的任務。2 .課程設計的要求。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 .軟件設計流程圖及其說明。6 .電路設計，軟件編程、調試中遇到的問題及分析解決方法。7 .實驗結果及其分析。8 .體會。第二部分課程設計報告1課程簡介.71.1程設計目的71.2程設計內容71.3程設計要求72方案設計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計82.1 A/D采樣電路82.2 D/A輸出電路.102.3給定對象硬件電路設計112.4總硬件圖114控制算法設計112.5控制算法的原理122.6計算機實

6、現(xiàn)的計算機推導公式122.7采樣周期13軟件編程設計13主程序與中斷流程圖13部分控制程序代碼14實驗結果與分析17小結與體會17參考文獻181、課題簡介課題目的課程設計是課程教學中的一項重要內容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義。計算機控制技術是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會

7、控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調試工作打下基礎。課題內容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。.硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路(用ADC0809等)和模出電路(用TLC7528和運放等)； 由運放實現(xiàn)的被控對象。.控制算法：大林控制算法。.軟件設計：主程序、中斷程序、A/D轉換程序、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)。.模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號_805s.選擇被控又腭L：G(s)e,T(0.4s1)(0.5s1).對象的純延遲環(huán)節(jié)es用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。.定時中斷間隔選取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)時間常數(shù)T按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。23.大林算法控制系統(tǒng)方案設計控制系統(tǒng)總體介紹圖 2.1-1 大林算法設計的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間，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一階對象：G(s)es,NT,Tis1二階對象：G(s)es,

9、NT,(s1)(T2s1)大林算法的設計目標是使整個閉環(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并希望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象的純滯后時間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，純滯后時間與采樣周期T有整數(shù)倍關系，(N=1,2.。控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林算法控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)先進行A/D采樣，將給定值采樣值取到單片機內，之后單片機會選擇另外一路通道，進行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機內后，在單片機中進行差值E(K)計算，再通過單片機中的算法程序得到輸出量U(K),再經(jīng)過D/A變換器，將輸出結果作用于被控對象。經(jīng)被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片

10、機內。.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設計A/D采樣電路該實3的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示(s)相當于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性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分別采樣給定信號和反饋信號，AD轉換器的引腳A接單片機的P1A6,用于選擇采樣通道?？刂朴嬎銠C的定時器作為基準時鐘（初始化為50ms）,在第一次啟動A/D轉換時，此時P1A6=0,選擇的IN-6,采樣的是給定信號，當采樣周期到時，此時P1A6=1,同時在定時器中啟動A/D轉換，此時采樣的是反饋信號，給定信號和反饋信號的采樣值分別存儲在程序的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和A/D轉換器兩部分。其主要特點為：單電源供電、工作始終CLOCK最高可達1200KHZ、8位分辨率、8個單端模擬輸入端（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多路開關可選通8路模擬輸入的任彳S一路進行A/D變換。其中IN1-IN5的模擬量輸入允許范圍：0V4.98V,對應數(shù)字量為00HFFH,2.5V對應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,對應數(shù)字量00HFFH,0V對應80H。在設計過程中使用的TD-ACC+教學系統(tǒng)中的ADC0809芯片，其輸出八

12、位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計算機的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應用時鐘1MCLK（1MHZ）上。其它控制線根據(jù)實驗要求可另外連接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0-IN7）,如圖3-1（2）所示。其中IN6和IN7可以測量-5V+5V的量，主要是因為加了外部電路。如圖所示，在IN6和IN7的實際輸入端其輸入范圍為05V,在外圍電路中，采用兩個相同電阻分壓的方式，因為給了一個5V的電壓，當輸入端為-5V時，0809的實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。但將該采樣值取進單片機內后，其表示范圍為-128127,對應為05V的電壓，所以我們需要在程序里將采樣值減去1

13、28以使采樣值與設定值相對應。因此加了外部電路,D/A輸出電路數(shù)模轉換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉換器。其主要參數(shù)如下：轉換時間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對應于0V,輸出電壓為-5V+4、96V。在課程設計過程中采用的TD-ACC嗷學系統(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)接至控制計算機的總線上。片選線預留出彳f實驗中連接到相應的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、機中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進彳TD/A輸出。0809就可以采集-5+5V的電壓了。圖3-2D/A輸出電路給定對象硬件電路設計圖3-3給定對象硬件電路圖如圖3-3所示，為被控對象的硬件電路的設計圖，在本次的課程設計中的被控對象傳遞函數(shù):算放大器的積分部分為150010000.5,實現(xiàn)被控對象的第一部分，第二個運算放大器的積分部分為220010000.4,實現(xiàn)被控對象的第二部分?？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運算放大器組合實現(xiàn)，即，第一個運nJJnJJ- -L L:-X-XL LFMU匕苦w.大林算法控制系

15、統(tǒng)算法設計控制算法的原理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計算機實現(xiàn)的計算機公式推導在4、1中得到了D(z)的最終表達式，而在本實驗中，被控對象為11從而可以知道被控對象的時間常數(shù)為，增益K=8,根據(jù)T按11最大時間常數(shù)取值，取T=0.4s。將各23個參數(shù)代入計算：KK0=0.077,KK1=-0.9085,KK3=0.0017864,PP1=0.3495,PP2=0.95436,PP3=0.0395

16、14。對應的遞推公式：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)實驗算法中，用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對應的閉環(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

17、算D(z)03521(1O2865z1)(1O3679z1)(13.0415z1)(10.1353z10.8647z2)無振鈴時，有z1,貝U(c,c2z1)1.2408,于是D(z)0.087(10.2865z1)(10.3679z1)(10.1353z10.8647z2)對應的遞推公式為由于在二階對象中是引起振鈴的極點因子，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驗中，定時中斷間隔選取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)軟件編程設計主程序與中斷流程圖主程序流程圖：采樣中斷服務程序流程圖:被控對象的表達式可知，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計算定時器0初值/修正因初值重裝而引起的定時誤差/邊沿觸發(fā)中斷/開外部中斷1/開定時中斷0啟動定時器/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：對定時器的賦值、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到否/D/A輸出零判采樣周期到否/采樣當前的給定值采樣當前的輸出值，并計算偏差的變化量while(1)是使主程序進入死循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,第一次進行A/D轉換時，對給定信號進行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置“1”，這時將A/D通道IN7選中，等待

22、采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在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。中斷程序實現(xiàn)的功能：對給定信號進行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置T,將A/D通道IN7選中，待采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在UK1中，接下來便是計算偏差E(k),計算U(k),將值通過端口DAC_1在下一周期到來時輸出；再次在該中斷程序中，增加一個變量bb1,用于存儲前一周期的輸出值，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，計算實現(xiàn)輸出信號的不斷優(yōu)化。該程序實現(xiàn)的功能是對定時器的重新裝值，同時，當采樣周期到時，啟動A/D,用于對轉換反饋信號進行A/D轉換。.實驗結果|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葭 I.r7j/J.j._J._i/-11111111IL_1._1l_rJ.IiL|r|，/1111