阻尼因子法最小拍设计.doc

1、计算机控制课程设计报告题目: 阻尼因子法最小拍设计 姓名: xx 学号: 090230123 2012 年 7 月 13 日计算机控制课程设计任务书学 号 090230123 班 级 0902301学 生 Xx 指导教师 Xxx题 目 阻尼因子最小拍设计设计时间 2012年 7 月 6 日 至 2012 年 7 月 13 日 共 1 周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）设单位速度信号输入下的有波纹最小拍系统控制器为)368.01)(.)(1zzG采用阻尼因子法对该控制器进行改进，以增加对不同输入信号的适应性。T=0.5s。方案设计：1. 完成控制系统的分析、设计；2. 选择元器件,完成

2、电路设计，控制器采用 MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用 Protel绘制原理图；3. 编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；2. 元器件选型，电路设计，以及绘制的 Protel原理图；3. 软件流程图，以及含有详细注释的源程序；4. 设计工作总结及心得体会；5. 列出所查阅的参考资料。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：2012 年 7 月 5 日阻尼因子法最小拍设计 1实验目的通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的纯滞后补偿（Smith 预估

3、控制）的设计及其实现。二实验内容设单位速度信号输入下的有波纹最小拍系统控制器为)368.01)(7.)(1zzG采用阻尼因子法对该控制器进行改进，以增加对不同输入信号的适应性。T=0.5s。 三控制系统仿真1.方案设计离散的计算机控制系统框图：其中， 为系统输入（单位速度信号） ， 为控制系统的控制器传函，zRzD为控制系统的控制对象传函， ， 系统输出。zG )368.01)(7.)(1zzGC为了使最小拍系统能够对不同输入信号具有适应性，采用阻尼因子法，即在最小拍控制系统设计的基础上，通过在系统的闭环脉冲传函中引入附加的极点因子（阻尼因子） ，使系统输出偏差不立即为零，而出现一定的阻尼衰减

4、特性，逐渐归零。这样，系统输出响应的过渡过程时间将会有一定程度的增加，但整个系统的输出响应的响应特性显得比较平稳，对不同输入信号的适应性也会有所改善。阻尼因子法的实质是以延长过渡过程时间为代价，来提高系统对输入信号类型的适应性。它的目标是使系统在输出响应的过渡过程中，纹波、超调量、过渡过程时间等性能综合最佳。引入附加的极点原则：（1） 、为满足稳定性要求， ；1c（2） 、为尽量不引起系统振荡， ；0（3） 、 较大，过渡过程时间延长，对不同输入信号的适应性改善；c较小，过渡过程时间延长，对不同输入信号的适应性改善；21zezGzD1kzccf1.21zeGzD1一般情况下，取一个附加极点，则

5、 12czfz取 ，分别确定 和 ，采用 Matlab9.0,87.,65.0,43.,21.0c D系统仿真，分析仿真结果（如下） ，得到最佳的 值。c通过分析仿真结果（系统在输出响应的过渡过程中，纹波、超调量、过渡过程时间等性能综合最佳） ，得到最佳附加极点为 。4.02.闭环传函 、误差传函 的确定zze121124.0zfcfz通过 ,f212f 解得： ；,6.由 ze解得： 124.0z3.控制器 的确定zD通过 G解得:114.30.6250.3687zzzUED11625.0zz1178.34差分方程为： 1625.0keku1625.034.4178.01kukukuku4.

6、采用 Matlab系统仿真（1）系统框图为：（1）单位阶跃输入：r(t)=1(t)（a）稳态误差0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1-0.500.511.5（b）稳态输出0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.500.511.522.5（2）单位速度输入 r（t ）=t（a） 稳态误差0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.500.511.5（b） 稳态输出0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 500.511.522.533.544.55（3）单位加度输入 r（t ）= 212（a） 稳态误差0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

7、4 4.5 500.511.522.53（b） 稳态输出0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50510154、电路设计及元件选型控制器部分需要 AD 转换器，DA 转换器，反相器，运算放大器，单片机。1、控制器微控制器选用单片机 0851 芯片， 性价比高，操作简单，应用广泛。2、AD 转换器AD 转换器选择 ADC0804, ADC0804 是一种逐次比较式的 8 路模拟输入，8 路数字输出的 A/D 转换器。AD 转换器的电路设计 ：(1) 由于只需要一路信号，(2) 单片机的 P2.1 引脚经过二十分频后与 ADC0804 的时钟端相连。(3) CS 脚为 AD

8、转换启动信号，高电平有效，由程序控制，故与单片机的P2.0 脚通过非门相连。(4)AD 采样值为系统的偏差信号，有正负两种情况，故选择 ADC0809 的参考电压为正 5V。(5)AD 转换结束后， INTR 脚输出高电平，此时单片机接收 INTR 信号，读取AD 转换的结果，将 INTR 脚经反相器与单片机的 P2.2 脚相连。AD 转换结果由P1 口读入，故将 AD 转换器的输出与单片机 P1 口相连，高低位依次相连经以上分析，设计 AD转换器的接口电路如图所示3、DA 转换器DA 转换器选择 DAC0832,DAC0832 是具有两个输入数据寄存器的 8 位DAC,它能直接与 51 单片

9、机相连，其主要特性为：a)分辨率为 8 位b)电流输出，稳定时间为 1sc)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电DA 转换器的电路设计：(1)参考电压选择+5V ，直接与供电电源相连。(2)选择 DAC 为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC 寄存器处于直通状态，由 DAC0832 的引脚特性，将 DAC0832 的引脚接发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2：DAC 寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1；第一级输入寄存

10、器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将输入数据锁存到 DAC 寄存器，故将该脚与单片机 P2.5 口相连，由程序控制 DA转换的时间。(3) DA 的八路输入，与单片机的 P1 口相连，高低位依次对应。经以上分析，设计 DA 转换器的接口电路如图所示4、系统电路设计设计单片机与 AD、DA 的接口电路如下图所示五 采用直接程序法程序流程图如下：程序如下：#includesbit CS=P20; / AD 启动信号sbit ADCLK=P21; / AD 时钟信号输出口sbit INTR=P22; / AD 转换完成信号sbit DA_W=P25; / DA 转换信号sbit DAcs=

11、P23; / DA 启动信号unsigned char ad_data ; / AD 采样值unsigned char count=0; /定时标记量char e; /定义当前采样值char u,u1; /定义 DA 输出量char r,r1; /定义中间量char r0=0;char u0=0; /char e0=0; / char e1=0;/前二次采样值和前二次控制值float temp; /设置指针void AD() / AD 采样函数 CS =0; /CS 1; / 启动 AD 转换器，开始转换CS =0; /while(INTR=0); / 转换未结束，空循环ad_data=P1;

12、 / 转换结束后，读取 AD 输出值void TimeInitial() / 定时器中断初始化函数IP=0x08; /设置中断优先级，定时器 1 为高优先级TMOD=0xee; /定时器 1 和定时器 0 均采用方式一TH0=0x7f; /设置定时器 0 的初值TL0=0x0b; /TH1=0xff; /设置定时器 1 的初值TL1=0xf6; /EA=1; /开放所有中断ET0=1; /允许 T0 溢出中断TR0=1; /启动定时器 0ET1=1; /允许 T1 溢出中断TR1=1; /启动定时器 1void main() /主函数TimeInitial(); /DAcs=0; /启动信号为

13、 0DA_W=0;P0=0x80; DA_W=1; /控制器初始输出为零while(1); /空循环，等待中断 void t1(void )interrupt 1 using 1 /定时器 0 中断函数 TH0=0x3c; /TL0=0xb0; /重装初值if (count=5) / count=0; /AD(); /0.5 秒后，读取 AD 采样值e=ad_data-128; /采样实际偏差值r1=r0+e1-0.625e0;temp=0.718*u0+4.34*(r1-0.368*r0); /差分方程 if(temp0) /当前输出值大于零if(temp=127) / u=127; /判断

14、是否溢出，溢出取极值else u=(char)temp; /控制器输出值 /else /当前输出值小于零if(temp=-127) /u=-127; /判断是否溢出，溢出取极值else u=(char)temp; /控制器输出值/P0=u+128; /DA 输出值r0=r1;u0=u1; /控制量递推赋值u1=u;e0=e1; /偏差量递推赋值e1=e;DA_W=0; /DA_W=1; /上升沿 DA 输出else count+; /定时不到 2 次，即不到 0.025 秒，继续定时void clk(void) interrupt 3 using 0 / 定时器 1 中断函数TH1=0xff;

15、 /TL1=0xf6; /重装初值ADCLK=ADCLK; /产生时钟信号六设计工作总结及心得体会在课设的第一节课给我们布置任务时，我感觉 1、思路不明确，不知道从什么地方入手；2、各科知识无法完全融合。当我静下心来，认真理解题目并规划好做题步骤，就发现原来目标还是很明确的。首先，我把有关计算机控制这门课的基本知识重新复习了一遍，包括阻尼因子法最小拍设计，AD、DA 转换，单片机等相关内容。然后我经过多方查阅资料，将课程设计的大体步骤列出。最后将每一步的工作都具体化，就这样一步步完成了课程设计。通过这次计算机控制课程设计，我们不仅更加深刻地理解了阻尼因子法最小拍设计，而且将我们在计算机控制，m

16、atlab ，protel 与单片机课程上所学到的知识相结合，更进一步提高了我们综合运用知识的能力。通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理解。更加重要的是我们认识到做事要有耐心，切忌浮躁，对结果的分析要仔细、全面七、参考文献1、张毅刚 主编. 单片机原理及应用 高等教育出版社 2003.122、刘建昌、关守平、周玮等 主编 计算机控制系统 科学出版社 2011.13、崔玮 主编 Protel 99 SE 电路原理图与电路板设计教程 海军出版社 2005.14、杨立 主编 计算机控制与仿真技术 清华大学出版社、北京交通大学出版社 2006.6