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1、计算机控制课程设计报告题目:超前校正控制器设计姓名：学号:姓名：学号:姓名：学号:2011年12月23日专 业班 级学 生指导教师题 目超前校正控制器设计设计时间2011年12月17日 至 2011年12月23 日 共 1 周设计要求设计任务：超前校正控制器设计K G (s)=设单位反馈系统的开环传递函数为0s(s+1)，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1)当r =1时，稳态 误差不大于0.1； (2)开环系统截止频率 6 rad/s； (3)相角裕度度 - 600 ; 幅值裕度度1 - 10 dB。万案设计：1. 采用Matlab完成控制系统的建立、分析、
2、设计仿真；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绘制原理图；3. 单片机编程实现控制器算法。报告内容：1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含Matlab仿真的性能曲线、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。系(教研室)主任:指导教师签字:目录引言1一、控制系统设计与仿真11.1设计步骤11.2控制器脉冲传递函数生成31.3控制器差分
3、方程设计6二控制器电路设计62.1元器件选型62.2 控制器电路设计6三、控制器算法实现93.1主程序流程图93.2单片机程序C语言代码10四、总结与体会12参考文献13引言随着计算机技术的飞速发展，出现了控制系统的计算工机辅助设计，目前控 制系统的计算机辅助设计技术的发展已达到了相当高的水平。并一直受到控制界 的普遍重视MATLAB编程实现超前校正器的计算机辅助设计，使得超前校正器的 设计变得简单、容易，仿真实例验证了该设计方法的有效性，大大提高了课程教 学、解题作业、分析研究的效率。应用MATLAB设计仿真，PROTEL绘图以及单片机C语言编程，实现设计超前 校正控制器的设计。G (s)=
4、设单位反馈系统的开环传递函数为0s(s + D，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1)当,=r时，稳态误差 不大于0.1； (2)开环系统截止频率c - 6 rad/s； (3)相角裕度度 60 ; (4)幅 值裕度h N 1。dB。一、控制系统设计与仿真在频域内设计校正装置主要是通过开环对数频率特性Bode图进行的。由于对系统性能可以归结为对系统开环频率特性的要求，因此，设计过程的实质也可 以理解为利用校正装置对系统开环Bode图进行整形或称校正。超前校正的基本原理是利用校正装置的相位超前特性去增大系统的相位裕 度。超前校正的作用在于提高系统的相对稳定性和响
5、应的快速性。1.1设计步骤(1) 根据给定稳态误差的要求，确定系统的开怀增益K。(2) 根据已确定的开环增益K，求出相位裕度y。(3) 根据给定的相位裕度y，计算校正装置所提供的相位超前量中。其中中=中 =yy + ( = 5 15)(4) 根据所确定的最大超前相角吃，求出相应的a值。(5) 求校正装置的时间常数T =二。7a(6) 得到校正装置传递函数G，总开环传递函数G = G G0(7) 绘制校正前和校正后的开环传递函数Bode图如下校正前后系统的开环频率特性比较1WIIIII_IIr11111Irr11111IIr11111 iir1111 1 i11111111 11111111 1
6、1111111 11 111111111 111111111111111 11111111 11111111 11 111111111 1111111OCIIIIIIII IIIIIIII IIIIIIII II IIIIIIIII IIIIIIIOUi 1 i i-r-r-T-i i 1 T-r-T_i_r-ir r 1 r-_r-T_T_r_ir t 1 1 1- _ r _ r - r n1 r i 1 1_ iSystem: GOFrequency (rad/sec): 4.06Magnitude (dB): -1.09System: GFrequency (rad/sec): 7.9
7、4MagnitudedB): 0.137Frequency (rad/sec)校正前后开环传递函数Bode图同时由matlab程序可得G (s) =0.5679 s + 10.04891 s + 1G(s)= G0 (s)G (s)=8.519 s + 150.04891s3+1.049s 2 + s校正前：广3.8089 rad/s, y0=14.7185，幅值裕度为无穷大。校正后：=8.0517 rad/s，y =63.2486，幅值裕度为无穷大。满足要求。MATLAB源程序如下:ess=0.1; w_c=6; r=60;%设计指标K=15;%保证单位速度输入下稳态误差小于0.1G0=tf
8、(K,1 1 0);Gm0,Pm0,Wg0,Wp0 = margin(G0);%计算未校正前系统裕度for epsilon=5:0.5:15%取e为变量循环计算直到满足指标为止phi_m=(r-Pm0+epsilon)*pi/180;T=1/(w_c*sqrt(a);a=(1-sin(phi_m)/(1+sin(phi_m);%超前校正装置的时间常数Gc=tf(T 1,a*T 1);G二series(Gc,G0);%被控对象与校正装置串联Gmc,Pmc,Wgc,Wpc=margin(G);%计算校正后的裕度if(Pmc=63)&(Wpc7.5);%设计指标稍大些以保证裕量break;enden
9、d%未校正曲线为红色bode(G0,r); hold on; grid on;Gz=c2d(Gc,5e-3,tustin);bode(G,b);title(校正前后系统开环频率特性比较);%采用双线性变换法离散1.2控制器脉冲传递函数生成选择采样周期为5ms，采用双线性变换离散化，由matlab计算得到脉冲传 递函数为G (z) = 口1 一11 - 0.9027 z-1再由Simulink建立仿真模型以仿真离散控制器。Simulink仿真模型原理图如下:单位阶跃输入原理图单位速度输入原理图校正前后单位阶跃响应由上图可知，校正前系统阶跃响应超调量比较大，振荡次数较多，过渡过程 较长，而超前校正
10、后系统阶跃相应的超调量明显减少，过渡过程也明显加快。校正前后单位速度响应由上图可知，离散化后的系统在单位速度输入下系统的稳态误差小于0.1，满 足设计指标要求。1.3控制器差分方程设计根据控制器脉冲传递函数11.1 11z -1G (z)=1 0.9027 z-1可得差分方程为：u(k)=0.9027u(k-1)+ 11.1e(k)-11e(k-1)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ADC0809。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ADC0809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：Sr+b：40VdSnit6gt01Ltn9t机tElI?z-4
