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1、计算机控制课程设计报告题目: 串联校正控制器设计 姓名: 李冠成 学号: 130230214 2016年6月15日计算机控制课程设计任务书学 号130230214班 级1302302学 生李冠成指导教师孟凡刚题 目串联校正控制器设计设计时间2016年 6 月 10 日 至 2016 年 6 月 17 日 共 1 周设计要求设计任务： 设单位反馈系统的开环传递函数为，用根轨迹法设计串联校正控制器，并采用模拟法设计数字控制器，使校正后的系统满足：最大超调量为16%，调整时间为2s。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
2、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：2016年 6 月 15日一、控制系统的设计与仿真1.1 实验具体步骤（1） 确定期望主导极点。 由 = 16%可得阻尼比。 由可得。 因此期望主导极点为 (1)（2） 绘制未校正系统的根轨迹图（
3、图1-1）、阶跃响应曲线（图1-2）1-1 未校正根轨迹MATLAB程序：n1=0 0 4;n2=1 2 0;sys=tf(n1,n2);rlocus(sys)绘制其阶跃响应曲线（图1-2） 图1-2 未校正阶跃响应图中，主导极点的位置位于根轨迹左侧，如果依靠调节增益，无法使根轨迹通过，故采用超前校正方法。MATLAB程序：K=4;n1=1;d1=conv(1 0,1 2); G0=tf(K*n1,d1); figure(1);G0=feedback(G0,1);step(G0) （3）计算超前校正装置应提供的相位超前角: (2)（4）求的零点和极点。因为，所以。按最大法，可得。 (3)校正后
4、系统的开环传递函数 (4)式中，K=4 。（5）根据根轨迹的幅值条件有 (5)求得系统相应的开环传递函数为 (6)由此可作出校正后根轨迹（图1-3）图1-3 校正后根轨迹MATLAB程序：n3=0 0 15.279 15.279*2.625;n4=1 7.037 10.074 0;Gc=tf(n3,n4);rlocus(Gc)校正后系统的闭环传递函数为 (7)式中， ，此根可以根据根轨迹作图规则八求得。由于校正后闭环新增加的极点 与零点 相距很近，因此该极点对系统暂态响应的作用很小。做出其阶跃响应曲线如图1-4。MATLAB程序：n2=3.8243 3.8243*2.625;d2=1 5.03
5、5;Gc=tf(n2,d2);G=G0*Gc;figure(2);sys=feedback(G,1);step(sys)图1-4 校正后阶跃响应由图可知其超调量接近16%，调整时间接近2s，符合设计要求。（6）由以上结果可得控制器函数为: (8) 校正后开环传函为: (9)1.2 控制器脉冲传递函数生成(1)采样周期的选择论证：采样周期直接影响系统的稳定性和系统输出数据的可靠性。如果采样周期太长，则采样得到的数据误差增大，如果采样时间过短，则AD，DA芯片的转化时间不够，必将影响系统采样数据的准确性。如果输入信号为周期信号，则根据香农采样定理要求采样的频率至少为输入信号频率的2倍，本系统中由于
6、输入信号为单位速度信号，信号周期趋于无穷大，所以采样频率可只考虑芯片的物理要求。单片机采用12Mhz晶振，ADC0808完成一次转换需要300us，DAC0832的转化时间一般小于100us，所以根据这个时间，理论上采样时间只要大于400us便可行，考虑到时间系统采样时间过短则占用CPU的时间就过长，对于变化较缓慢的输入信号采样时间可以适度加长，故选取5ms。(2)选择采样周期为5ms，采用双线性变换离散化，计算得到脉冲传递函数： (10)MATLAB程序为：sys = tf(3.8243 10.0387, 1 5.037);ts = 0.005;dsys = c2d(sys, ts, tus
7、tin);dsysTransfer function:3.802 z - 3.752- z - 0.9751 Sampling time: 0.005再由Simulink建立仿真模型以仿真离散控制器。原理图如图1-5所示:图1-5 SIMULINK仿真电路进行仿真后的阶跃响应对比图如图1-6：图1-6 SIMULINK仿真波形由上图可知，校正前系统调整时间明显大于2s，过渡过程较长，而校正后系统调整时间明显减小，并且维持超调在16%左右不变。1.3 控制器差分方程设计根据控制器脉冲传递函数 (11)可得差分方程为： (12)二控制器电路设计2.1 元器件选型控制器采用8051单片机，单片机晶振
8、选择为12MHz。由于系统精度要求不高，可选用8位AD和DA转换器。AD转换芯片采用美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器ADC0808。 DA转换则采用8分辨率的电流输出型数模转换芯片DAC0832。其中ADC0808的时钟信号由单片机的ALE信号经过2个D触发器74LS74进行四分频得到，频率为500kHz。考虑到DAC0832为电流型DAC，故需要运放转换电路，电路设计中通过以及运算放大器，将输出电流转换为电压。2.2 控制器电路设计控制器电路原理图如下：ADC0808部分：图2-1 ADC0808部分DAC0832部分：图2-2 DAC0832部分单片机
9、部分：图2-3 单片机部分整体电路：图2-4 整体电路三、控制器算法实现3.1 主程序流程图图3-1 程序流程图示例3.2 单片机程序C语言代码#include#define uchar unsigned char;#define uint unsigned int;sbit ST = P20;sbit OE = P21;sbit EOC = P23;sbit DAC = P24;/DA控制信号char flag = 1;/标志位float uk = 0.0,uk1 = 0.0;float ek = 0.0,ek1 = 0.0;void Timer_Init(void)/定时器初始化 5ms一
10、次DAC = 1;EA = 0; TMOD|=0x10;/设置T1为工作方式1,16位定时器TH1 = 0xEC;TL1 = 0x78;/装初值，设置定时时间为5msET1 = 1;/允许T1溢出中断EA = 1;/开总中断TR1=1;/计数器1开始工作 void Timer(void) interrupt 1/中断子程序TH1 = 0xEC;TL1 = 0x78;TR1 = 0; /关闭定时器T1flag = 1;/ 标志位置1 定时结束 开始计算unsigned char ADC_read()/ADC读取程序 char getdata;ST = 0;ST = 1;ST = 0;while(
11、!EOC);OE = 1;getdata = P0;OE = 0;return getdata;void main()/主程序Timer_Init(); while(1) if(flag=1) /标志位置1则延时保持结束 flag = 0; ek = (float)ADC_read(); /ek读取ADC值 uk = 0.9751*uk1+3.8243*ek-3.7750*ek1; /根据差分方程得出计算公式 if(uk 255.0)P0 = 0xFF; else if(uk 0.0) P0 = 0.0; /对P0口输出限幅 else P0 = (char)uk; /将uk值写入P0口 DAC
12、 = 0;/开启DAC转换 uk1 = uk; ek1 = ek;/对uk1,ek1赋值uk，ekTR1 = 1;/启动定时器T1 四、总结与体会 经过为期一周的课程设计，我收获良多。从以前只会计算，浅略的了解一小部分知识，到现在通过翻阅资料、上网查找原理去寻找不断解决问题的方法、技巧，更深层的了解。这使我不再只会“纸上谈兵”，而是掌握了实战知识，将所学到的多门专业课融会贯通，真正的做到了理论和实际相结合，并且对串联校正法有了更深的理解，这使我加深巩固了所学到的知识。除此之外，我还掌握了更多软件的应用，比如MATLAB,PROTEUS,KEIL等等。相比于一周之前，我的设计方式以及对理论的的理解有了较大的进步，虽然在设计上、思路上仍有不足，但我希望可以在以后的学习生活中一如既往态度认真，也在平时的生活中多多积攒知识，争取成为更有用的人才。参考文献1 张晋格：自动控制原理（第二版），哈尔滨工业大学出版社，2009年。2 华成英、童诗白：模拟电子技术基础（第三版），高等教育出版社，2001年。 3 刘建昌、关守平、周玮：计算机控制系统，哈尔滨工业大学出版社，2005年。4 黄忠霖：自动控制原理的MATLAB实现，国防工业出版社，2007年。5 阎石：数字电子技术基础
