計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)--最小拍控制設(shè)計(jì)

1、<p>　　《計(jì)算機(jī)控制》課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題目: 無波紋最小拍控制設(shè)計(jì) </p><p><b>　　2011年7月5日</b></p><p>　　《計(jì)算機(jī)控制》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）

2、主任簽字：</p><p>　　2011年 7 月 5 日</p><p><b>　　方案設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　一、題目分析</b></p><p>　　根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)無波紋最小拍控制器。采用零階保持器的單位反饋離散系統(tǒng)，被控對(duì)象為，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時(shí)，實(shí)現(xiàn)無波紋最

3、小拍控制，用離散設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。</p><p><b>　　二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、采樣周期T的選擇</p><p>　　當(dāng)取采樣周期T=1s時(shí)，經(jīng)過理論驗(yàn)證，三拍后系統(tǒng)無波紋，達(dá)到無波紋輸出時(shí)t=3s，滿足控制器要求。</p><p>　　當(dāng)取采樣周期T=0.1s時(shí)，滿足控制器要求且三

4、拍系統(tǒng)無波紋，達(dá)到無波紋輸出時(shí)t=0.3s，但考慮到AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和速率有限，故在滿足性能要求的前提下，這里選擇采樣周期T=1s。</p><p>　　2、無波紋最小拍控制器的計(jì)算</p><p>　?。?）帶零階保持器的廣義被控對(duì)象為通過matlab，z變換程序?yàn)?lt;/p><p>　　np=[0 0 10];</p><

5、p>　　dp=[1 1 0];</p><p>　　hs=tf ( np, dp);</p><p>　　hz=c2d(hs,1)</p><p><b>　　結(jié)果為</b></p><p>　　Transfer function:</p><p>　　3.679 z + 2.642

6、</p><p>　　----------------------</p><p>　　z^2 - 1.368 z + 0.3679</p><p>　　Sampling time: 1</p><p><b>　　即</b></p><p>　?。?）無波紋最小拍控制器D（z）</p>

7、;<p>　　根據(jù)G(z)，對(duì)象有一個(gè)純遲后因子v=1,一個(gè)零點(diǎn)，兩個(gè)極點(diǎn)，單位速度信號(hào),所以q=1，則閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　由</b></p><p>　　得系數(shù)，，則系統(tǒng)脈沖傳函為</p><p><b>　　誤差脈沖傳函為</b></p><p><

8、;b>　　由得設(shè)計(jì)的控制器為</b></p><p>　　3、無波紋最小拍控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　控制系統(tǒng)整體框圖</b></p><p>　　4、無波紋最小拍控制系統(tǒng)Matlab仿真</p><p>　　通過Matlab觀察階躍輸入響應(yīng)輸出程序如下</p><p&

9、gt;　　num=[0.382 -0.364 0.0824];</p><p>　　den=[1 -0.407 -0.593];</p><p>　　dz=tf ( num, den,-1);</p><p>　　sys1=dz*hz;</p><p>　　sys2=feedback(sys1,1);</p><p>

10、;　　step(sys2,20) </p><p><b>　　輸出曲線如下</b></p><p>　　由圖可見，3拍后輸出跟上輸入，可實(shí)現(xiàn)最小拍控制，T=1s滿足要求。</p><p>　　5、無波紋最小拍控制系統(tǒng)simulink仿真</p><p><b>　　仿真結(jié)果為：</b></p

11、><p>　?。ǎ保┫到y(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線c(t)圖形如下：</p><p>　　（2）系統(tǒng)誤差e（t）曲線如下：</p><p>　?。?）控制器輸出u（k）曲線如下：</p><p>　　通過仿真曲線看出： 控制器D（z）滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)在第三拍之后系統(tǒng)達(dá)到無差，最后控制器輸出恒定（），因此系統(tǒng)輸出不會(huì)產(chǎn)生波紋，調(diào)節(jié)時(shí)間為。</p&g

12、t;<p>　　將得系統(tǒng)的差分方程為：</p><p>　　三、硬件電路設(shè)計(jì)及元件選型</p><p>　　控制器部分由AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器和AT89C51單片機(jī)組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用DAC0832。</p><p><b>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖</b></p><p><

13、;b>　　1、AD轉(zhuǎn)換器</b></p><p>　　AD轉(zhuǎn)換器選ADC0809, ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，內(nèi)部具有鎖存功能，故不需要加地址鎖存器。ALE腳為地址鎖存信號(hào)，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號(hào)已經(jīng)固定，故將ALE接高電平。</p><p>　　系統(tǒng)只需要一路信號(hào)，選擇IN-0通道作為輸入。</p><p&g

14、t;　　START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號(hào)，故選擇ADC0809的為5V。</p><p>　　由于ADC0809的時(shí)鐘所限，AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)，由單片機(jī)P2.1腳產(chǎn)生，將CLOCK腳接單片機(jī)的P2.1。由單片機(jī)產(chǎn)生500khz的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)晶振可選擇為12MHz。</p><p>　　EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)

15、換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)將其接單片機(jī)P2.2腳由程序讀入，判斷AD是否轉(zhuǎn)換完成。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī)P0口相連，高低位依次相連。</p><p>　　設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示：</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換器的接口電路</p><p><b>　　2、DA轉(zhuǎn)換器</b></p&

16、gt;<p>　　DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,可以直接與51單片機(jī)相連。參考電壓 ，直接與供電電源相連。</p><p>　　因?yàn)檩敵龅腃（t）可能有負(fù)的情況，故選擇DAC為雙極性電壓輸出。DA輸出值為：</p><p>　　DAC0832的引腳接法下：</p><p>　　CS：片選端，直接接低電

17、平</p><p>　　ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平。</p><p>　　WR2：DAC寄存器寫選通控制端，故直接接低。</p><p>　　XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。</p><p>　　WR1；第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機(jī)P2.

18、3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換的時(shí)間。</p><p>　　D10~D11：與單片機(jī)P0~P7相連。</p><p><b>　　電路圖如下：</b></p><p>　　DA轉(zhuǎn)換器的接口電路</p><p><b>　　3、控制器</b></p><p>　　控制器選擇AT8

19、9C51單片機(jī)，根據(jù)ADC0809和DAC0832的特性，及上述分析，設(shè)計(jì)單片機(jī)與AD、DA的接口電路如下圖所示：</p><p>　　單片機(jī)選擇12MHZ晶振，按鍵復(fù)位模式。</p><p>　　四、 程序流程圖及源程序</p><p><b>　　1、流程圖如下：</b></p><p>　　2、定時(shí)器T0的初值計(jì)算

20、</p><p>　　設(shè)：需要裝入T0的初值為X，則有：</p><p>　　X化為十六進(jìn)制，即X=0x3cb0</p><p>　　T0的初值為 TH0=0x3c; TL0=0xb0;</p><p>　　3、源程序及注釋如下：</p><p>　　#include<reg51.h></p>

21、<p>　　sbit start=P2^0; // AD啟動(dòng)信號(hào)</p><p>　　sbit CLK=P2^1; // AD時(shí)鐘信號(hào)輸出口</p><p>　　sbit EOC=P2^2; // AD轉(zhuǎn)換完成信號(hào)</p><p>　　sbit DA_W=P2^3; // DA轉(zhuǎn)換信號(hào)</p>

22、<p>　　unsigned char ad_data ; // AD采樣值</p><p>　　unsigned char count=0; //定時(shí)標(biāo)記量</p><p>　　char e; //定義當(dāng)前采樣值</p><p>　　char u; //定義DA輸出量</p><p>

23、　　char u0=0; //</p><p>　　char u1=0; //</p><p>　　char e0=0; // </p><p>　　char e1=0; //前二次采樣值和前二次控制值</p><p>　　float temp; //設(shè)置指針&l

24、t;/p><p>　　void AD() // AD采樣函數(shù)</p><p>　　{ start=0; //</p><p>　　start=1; // 啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換</p><p>　　start=0; //</p><p>　　w

25、hile(EOC==0); // 轉(zhuǎn)換未結(jié)束，空循環(huán)</p><p>　　ad_data=P0; // 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取AD輸出值</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void TimeInitial() // 定時(shí)器中斷初始化函數(shù)</p><p>&

26、lt;b>　　{</b></p><p>　　IP=0x08; //設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，定時(shí)器1為高優(yōu)先級(jí)</p><p>　　TMOD=0x11; //定時(shí)器1和定時(shí)器0均采用方式一</p><p>　　TH0=0x3c; //設(shè)置定時(shí)器0的初值</p><p>　　TL0=0xb0;

27、 //</p><p>　　TH1=0xff; //設(shè)置定時(shí)器1的初值</p><p>　　TL1=0xfb; //</p><p>　　EA=1; //開放所有中斷</p><p>　　ET0=1; //允許T0溢出中斷</p><p>　　TR0

28、=1; //啟動(dòng)定時(shí)器0</p><p>　　ET1=1; //允許T1溢出中斷</p><p>　　TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器1</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main() //主函數(shù)</p><p>

29、;<b>　　{</b></p><p>　　TimeInitial(); //</p><p>　　start=0; //啟動(dòng)信號(hào)為0</p><p><b>　　DA_W=0;</b></p><p>　　P1=0x80; </p>

30、<p>　　DA_W=1; //控制器初始輸出為零</p><p>　　while(1); //空循環(huán)，等待中斷</p><p><b>　　} </b></p><p>　　void t1(void )interrupt 1 using 1 //定時(shí)器0中斷函數(shù)</p

31、><p><b>　　{ </b></p><p>　　TH0=0x3c;//</p><p>　　TL0=0xb0; //重裝初值</p><p>　　if (count==20) //</p><p><b>　　{ </b><

32、;/p><p>　　count=0; //</p><p>　　AD(); //一秒后，讀取AD采樣值</p><p>　　e=ad_data-128; //采樣實(shí)際偏差值 </p><p>　　temp=0.407*u1+0.595*u0+0.382*e-0.364*e1

33、+0.0824*e0; //差分方程 </p><p>　　if(temp>0) //當(dāng)前輸出值大于零</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(temp>=127) // </p><p>　　u=127; //判斷是否溢出，溢出取極值&

34、lt;/p><p>　　else u=(char)temp; //控制器輸出值</p><p>　　} //</p><p>　　else //當(dāng)前輸出值小于零</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(temp<=-127)

35、 //</p><p>　　u=-127; //判斷是否溢出，溢出取極值</p><p>　　else u=(char)temp; //控制器輸出值</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//</b></p>

36、<p>　　P1=u+128; //DA輸出值</p><p>　　u0=u1; //控制量遞推賦值</p><p>　　u1=u; //</p><p>　　e0=e1; //偏差量遞推賦值</p><p>　　e1=e;

37、 //</p><p>　　DA_W=0; //</p><p>　　DA_W=1; //上升沿DA輸出</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else count++; //定時(shí)不到20次，即不到一秒，繼

38、續(xù)定時(shí)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void clk(void) interrupt 3 using 0 // 定時(shí)器1中斷函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH1=0xff; //

39、</p><p>　　TL1=0xfb; //重裝初值</p><p>　　CLK=~CLK; //產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　五、 設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)：</p><p>　　經(jīng)

40、過多天的努力，這次計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)已基本結(jié)束，在這一段時(shí)間中，我們收獲良多。由于考試時(shí)間與課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排有沖突，我們的時(shí)間很緊，前期準(zhǔn)備不足。這導(dǎo)致我們剛開始的上機(jī)設(shè)計(jì)難以進(jìn)行，浪費(fèi)了很多時(shí)間，整個(gè)小組都沒有一個(gè)明確方向。后來，在老師的指導(dǎo)下，經(jīng)過我們多方查找資料，終于明確了工作方向，分工合作，相互幫助，最終完成了這次課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了很多設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)的思想與方法

41、，如matlab仿真并利用simlink仿真。應(yīng)用了計(jì)算機(jī)控制課程上學(xué)到的知識(shí)，還用到了自動(dòng)控制原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用、模擬電子技術(shù)中的相關(guān)知識(shí)，給我們提供了一個(gè)將所學(xué)的課程聯(lián)系在一起，并應(yīng)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、張毅剛 主編. 單片機(jī)原理及應(yīng)用 高等教育出版社，2003.12</p>