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1、计算机控制课程设计报告题目: 串联滞后校正控制器设计 姓名: 学号: 2013年12月2日计算机控制课程设计任务书学 号=班 级=学 生=指导教师=题 目串联滞后校正控制器设计设计时间2013年 11 月 25 日 至 2013 年 12 月 2 日 共 1 周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度输入时，稳态误差小于1%，相角裕度。方案设计：1. 完成控制系统的分析、设计；2. 选择元器件,完成电路设计，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
2、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：2013年 11 月 25 日一、设计目的 设计滞后校正控制器二、设计要求 熟练掌握MATLAB仿真设计、Protel绘图软件的使用、以及单片机C语言编程，进行控制系统仿真设计。三、设计任务设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，
3、使校正后的系统满足：速度输入时，稳态误差小于1%，相角裕度。 四、设计过程1、控制系统建模分析串联滞后校正应用：1) 对系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的场合；2）若待校正系统已具备满意的动态特性，而稳态性能不满足指标要求，也可采用串联滞后校正来提高稳态精度，同时保持其动态特性基本不变。基本原理： 利用滞后网络或PI控制器的高频衰减特性，使已校正系统截止频率下降，从而获得足够的相角裕度。因此，滞后校正网络的最大滞后角应避免出现在系统截止频率附近。1.1设置控制器(1) 根据稳态误差,求K。 取K为120 (1)(2) 画出控制对象的Bode图(3) 计算剪切频率，相角裕量。 54
4、.7rad/s 18090arctan（0.04）24.57 (2) 相角裕度不足，不满足条件(4) 求出相角裕量= 处的频率，为加控制器后的穿越频率。 401560 (3) 相角裕量为60时对应为14.43rad/s。(5) 被控对象bode图在=14.43rad/s处的增益为,求出b. b=6.93 = =3.61 (4) 0.52 (7) 此时滞后控制器为 （s） (5) （s）即为数字控制器的脉冲传递函数。 校正后的开环传递函数 G(s) (s)(s) (6)(8) 验证加控制器后的系统的性能指标。 相角裕度4840 使用MATLAB对滞后控制器函数和校正后的开环传递函数进行离散化并画
5、出图像。 Go=tf(100,0.04 1 0) %被控对象传递函数 Gc=tf(0.192 0.694,1.92 1) %控制环节传递函数 G=Go*Gc Gcz=c2d(Gc,0.01) %离散化 Goz=c2d(Go,0.01) %离散化 Gz=Goz*Gcz figure(1) %画出图像 margin(Go) hold on margin(G) legend(Before,After) %在图像中标出每条线的意义 hold off figure(2) sys1=feedback(G,1); step(sys1); hold on sys2=feedback(Gz,1); step(s
6、ys2); hold off legend(Continue,Discrete)图1 控制环节和被控对象的Bode图图2 离散化前后GoGcc的阶跃响应输出一开始设定的采样周期为0.05s，观察图像间隔较大，不合适，把周期时间调短，至0.01s方才合适。1.2 控制器脉冲传递函数生成及其matlab仿真采用双线性变换离散后的脉冲传递函数为: (z) = 再由simulink仿真离散控制器：图3 Simulink仿真 1.3 控制器差分方程设计 根据控制器脉冲传递函数，可得 u(k)= 0.1694u(k-1)-0.16e(k)- 0.08936e(k-1) 2、控制器电路设计2.1元器件选型1
7、、控制器 控制器选择AT89C51单片机，晶振选择12MHZ。单片机电路如图4。2、AD转换器 AD转换器选择ADC0804, 它是8位CMOS连续近似的A/D 转换器。可输入差动模拟信号，Ui=Ui（）Ui（）。本设计使用单端输入，将Ui（）引脚接地，信号由Ui（）引脚输入。INTR引脚与单片机INT0引脚连接，CS片选引脚接地，RD、WR引脚分别与单片机RD、WR引脚相连，DB0DB7分别与单片机P1.0P1.7相连。 ADC0804可以选用内部时钟或外部时钟，本设计选用内部时钟信号，只需在CLK R及CLK IN引脚加上电阻及电容。电路如图5。图4 51单片机图 图5 AD转换器图3、D
8、A转换器DA转换器选择DAC0832,它是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与MCS51单片机相连接。将CS、WR1、WR2和XFER引脚接地，ILE引脚接5V，Vref选择+5V， 8位数字信号输入端DI0DI7分别接单片机的P0.0P0.7引脚。此时DAC0832处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。考虑到DAC0832为电流输出型，故需要外接运算放大器，进行电流/电压转换，才能得到模拟输出电压，选择运算放大器为LM324。由于控制器的输出应该为双极性输出，故输出需要两个运算放大器，电路如图6。图6 DA转换器图此时DAC输出的电压值为：Uo=
9、（B-128）*Vref/128。若DI7为1，则Uo为正，否则Uo为负。2.2 总电路图图7 总电路图 3、控制器程序设计 3.1、程序流程图 图8 主程序 图9 定时器0中断服务程序图10 外部中断0程序3.2、源程序#include /12MHZ#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharflag=0; /ADC转换结束标志位ucharnum=0;uintui=0;uintuo=0; floatuk_1=0.0; /U(k-1)=0floatuk=0.0; /U(k)=0floatek_1=0.0; /e(k-1)=0
10、floatek=0.0; /e(k)=0sbitwr=P36;sbitrd=P37; void init() /初始化程序P0=0; /使DAC0832初始输出电压为0TMOD=0x01; /设置定时器0工作在定时方式1TH0=0xD8; /定时器赋初值，定时10msTL0=0xF0;ET0=1; /开定时器0中断IT0=1; /外部中断0下降沿触发EA=1; /开总中断TR0=1; /启动定时器0void main() /主程序 init(); /初始化while(1)if(flag=1) /若AD转换结束 ek=ui; /差分方程计算U（k）uk=0.1694*ek-0.1629*ek_1
11、+0.9935*uk_1; uo=(uint)uk;P0=uo; /DAC0832输出电压Uoek_1=ek;uk_1=uk;flag=0; /清零标志位void int0()interrupt 0 /外部中断0中断服务程序EX0=0; /关外部中断0TR0=1; /开定时器0rd=1; /读取ADC的数值rd=0;rd=1;ui=P1;flag=1; /置1标志位void timer0()interrupt 1 /采样周期10ms定时TR0=0; /关定时器0TH0=0xD8; /定时器重装初始值TL0=0xF0;num+; if(num=1) /若10ms时间到num=0; EX0=1; /开启外部中断0wr=1; /开启DAC08
