滯后超前校正控制器設(shè)計(jì)..

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目:滯后-超前校正控制器設(shè)計(jì)姓名：胡志峰學(xué)號(hào)：1002301052013年7月12日計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)號(hào)100230105班級(jí)1002301學(xué)生胡志峰指導(dǎo)教師任倩題目滯后-超前校正控制器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2013年7月5 日至2013年7月12 日 共 1 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G。(s) -K，采sss(十 1)(+1)1060用模擬設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)滯后-超前校正數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標(biāo)：(1)當(dāng)r=t時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126; (2)開環(huán)系統(tǒng)截止頻率 皿 蘭20 rad/s； (3)相位裕度丫 >35o 。方案設(shè)計(jì)：1

2、. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)；2. 選擇元器件，完成電路設(shè)計(jì)，控制器采用MCS-51系列單片機(jī)(傳感器、功率接口以及人機(jī)接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。報(bào)告內(nèi)容：1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期的選擇、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；2. 元器件選型，電路設(shè)計(jì)，以及繪制的Protel原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序；4. 設(shè)計(jì)工作總結(jié)及心得體會(huì)；5. 列出所查閱的參考資料。系(教研室)主任簽字:指導(dǎo)教師簽字:2013年7月5日、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐瓿蓽?超前校正控制器設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)要求熟練掌握MATLAB設(shè)計(jì)

3、仿真滯后-超前校正控制器、運(yùn)用Protel設(shè)計(jì)控 制器硬件電路圖，以及運(yùn)用MCS-51單片機(jī)C或匯編語(yǔ)言完成控制器軟件程 序編程。三、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為采用模擬設(shè)、KGo (s)=-，s(衛(wèi) 1)(2 1)10 60計(jì)法設(shè)計(jì)滯后-超前校正數(shù)字控制器，使校正后的系統(tǒng)滿足如下指標(biāo):(1) 當(dāng)r = t時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126;開環(huán)系統(tǒng)截止頻率-'c - 20 rad/s；相位裕度一 35°四、實(shí)驗(yàn)具體步驟4.1相位滯后超前校正控制器的連續(xù)設(shè)計(jì)校正方案主要有串聯(lián)校正、并聯(lián)校正、反饋校正和前饋校正。確定校正裝置 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的方法主要有兩類：分析法和綜合法。分

4、析法是針對(duì)被校正系統(tǒng)的 性能和給定的性能指標(biāo)，首先選擇合適的校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，然后用校正方法確定 校正環(huán)節(jié)的參數(shù)。在用分析法進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)通常采用超前校 正、滯后校正和滯后-超前校正這三種類型。超前校正的作用在于提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性，滯后校正的主要作用是在不影響系統(tǒng)暫態(tài)性能的前提下，提高低頻段的增益，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 特性，而滯后超前校正環(huán)節(jié)則可以同時(shí)改善系統(tǒng)的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。這種校正的實(shí)質(zhì)是綜合利用了滯后和超前校正的各自特點(diǎn)，利用其超前部分改善暫態(tài)特 性，而利用滯后部分改善穩(wěn)態(tài)特性，兩者各司其職，相輔相成。(1)調(diào)整開環(huán)增益K,使其滿足穩(wěn)態(tài)誤差不大于1/126;

5、瓦=I i m£G ( s手 K=1 26(1)按求得的開環(huán)增益 K=126繪制Bode圖4-1所示:Bode DiagramGm = -5.12 dB (at 24.5 rad/s) r Pm = -11.4 deg (at: 32.5 rad/s)ID1IO1Frequency (rad/&)(Bpjlupnj 一亡6 用左4 -o 臨* a10"IQ-圖4-1校正刖系統(tǒng) Bode圖3IDl£lpnlu-duj<10 15Ttme (secon曰呂)圖4-2校正前系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖由圖可知：未校正系統(tǒng)的剪切頻率：co 二 32.5rad / s相角裕

6、度：o = -11.4幅值裕度：Kg = _5.12dB ： 0相位裕度：'24.5rad / s以上計(jì)算以及仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進(jìn)行校正，由于匕0附近頻段內(nèi)G0(s)的對(duì)數(shù)幅頻漸近線以-40dB/dec穿過OdB線，只加一個(gè)超前校正網(wǎng) 絡(luò)其相角超前量有可能不足以滿足相位裕度的要求，可以設(shè)想如果讓中頻段(co附近)衰減，再由超前校正發(fā)揮作用，則有可能滿足指標(biāo)要求，而中頻段衰 減正好可以用滯后校正完成。因此決定采用滯后超前校正。(2) 確定校正后的剪切頻率：選取 c的原則應(yīng)兼顧快速性和穩(wěn)定性，-c過大會(huì)增加超前校正的負(fù)擔(dān)，過小又會(huì)使頻帶過窄，影響快速性，結(jié)合具體情況：二二程=2

7、4.5rad / s(3) 確定滯后校正部分的參數(shù) ：111根據(jù) '2()(2 T2510:國(guó)2= 2.6ad / s 取 0 =1。1則有產(chǎn)一=0.25 rad / s_ T2T2 = 4故滯后校正的傳遞函數(shù)為QG)二T?s10. 41T 1 -4s1(4) 確定超前校正部分的參數(shù)：過點(diǎn)(24.5rad/s,-5.12dB)做+20dB/dec斜線與滯后校正部分交于 匕，與OdB線交于 4，計(jì)算得 3 = 5rad / s，4 = 50rad / s，故T1 = 0.2, E = 0.02，故超前部分校正的傳遞函數(shù)Ts10. 2 10. 0s21最后可得滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為(

8、0.4 s 1)(0.2 s 1)(4 s 1)(0.02 s 1)(5) 檢驗(yàn)性能指標(biāo)由于校正過程中，多處采用的是近似計(jì)算，可能會(huì)造成滯后-超前校正后得到的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不滿足題目要求的性能指標(biāo)。所以需要對(duì)滯后-超前校正后的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。下面用MATLAB求已校正系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量。IDD11I03135-I8D225Bude DiegnamGm = 13.7 dB (at 57.3 radfs), Pm = 54.8 dsg (at 20.5 rad/»)5050Fraquancy (rad圖4-3校正后系統(tǒng)Bode圖圖4-4校正后系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖LF3Bode Diagra

9、mGm = -5.12dB (at 24.5 rad/s), Pm = -11L4 dg (at 32.5 racVs)5o1ioDio1I011Frequency (rad/s)5 nJ-一圖4-5校正刖后Bode圖比較圖由圖上可以讀出校正后系統(tǒng)的：剪切頻率：& = 20.45 rad / s - 20rad / s相角裕度：0二54.8 35幅值裕度：Kg二13.7dB相位裕度：-'g 二 57.3 rad / s假設(shè)驗(yàn)證結(jié)果不滿足指標(biāo)，重新選擇校正后的截止頻率，重復(fù)上述過程，直 到滿足性能指標(biāo)為止。通過校正后系統(tǒng)的伯德圖得到的幅值裕度和相位裕度可以看出此次設(shè)計(jì)的 滯后-超

10、前校正裝置在由于超前校正作用在中頻段衰減，增大了相位裕度和帶寬 響應(yīng)快速提高；同時(shí)由于系統(tǒng)的滯后校正改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高穩(wěn)態(tài)精度， 由于超前的作用不致使系統(tǒng)響應(yīng)速度變緩，故校正器設(shè)計(jì)符合要求。由上圖可知通過滯后-超前校正器的校正系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到 要求。事實(shí)上，可以充分的利用MATLAB軟件中的控制系統(tǒng)工具箱來(lái)解決控制 中的一系列問題，可以大大提高分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的效率。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：給出了基于MATLAB軟件的滯后-超前校正器的設(shè)計(jì)過程并通過仿真實(shí)例驗(yàn)證 了該方法比傳統(tǒng)的方法節(jié)省了相當(dāng)大的工作量，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常的方便。4.2 Matlab 程序%繪制校正前系統(tǒng)的 Bode

11、圖和階躍響應(yīng)圖K=126;n1=1;d1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1);s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),hold on%繪制系統(tǒng)的 Bode 圖figure(2);sys=feedback(s1,1);step(sys)%繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖%繪制校正后系統(tǒng)的 Bode 圖和階躍響應(yīng)圖G0=tf(126,conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1);%繪制閉環(huán)系統(tǒng)的 Bode 圖%繪制閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖%將校正前后 Bode 畫在同一張圖上Gc1=tf(0.4 1,4 1); Gc2=tf(0.2 1,0.0

12、2 1); G=G0*Gc1*Gc2; figure(3);bode(G) margin(G),hold on T0=feedback(G0,1) T=feedback(G,1); figure(4);step(T);K=126;n1=1;d1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1); s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),hold on;G0=tf(126,conv(1 0,conv(0.1 1,0.0167 1);Gc1=tf(0.4 1,4 1);Gc2=tf(0.2 1,0.02 1);G=G0*Gc1*Gc2; figure(1)

13、;bode(G); margin(G),hold on;lege nd(校正前','校正后')4.3相位滯后-超前校正的離散化Simulink是可以用于連續(xù)、離散以及混合的線性、非線性控制系統(tǒng)建模、仿 真和分析的軟件包，并為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，很適合于控0,245Time (seconds)7S910制系統(tǒng)的仿真。使用MATLAB對(duì)滯后-超前控制器函數(shù)和校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散 化。采用零極點(diǎn)匹配法,采樣時(shí)間為10ms :DvprwaUIV圖4-6離散后系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖DzTran sfer fun cti on:0.8159 zA2 - 1.572

14、 z + 0.7569zA2 - 1.604 z + 0.605Sampli ng time (secon ds): 0.01G0zTran sfer fun cti on: 0.01353 zA2 + 0.02706 z + 0.01353乙人3 - 2.454 zA2 + 1.95 z - 0.4966Sampli ng time (sec on ds): 0.014.4 Matlab 程序%繪制離散系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖s=tf('s');G0s=126/(s*(s/10+1)*(s/60+1);Ds=(0.4*s+1)*(0.2*s+1)/(4*s+1)*(0.02*s+1);

15、G0z=c2d(G0s,0.01,'matched');Dz=c2d(Ds,0.01,'matched');Gz=G0z*D z;sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);G0z=c2d(G0s,0.01,'matched');Dz=c2d(Ds,0.01,'matched');sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);4.5 Matlab/Simulink仿真離散控制器圖4-7控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-8 Simulink仿真離散控制器圖離散系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖4-9 Simulink仿真離散控

16、制器系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖4.6相位滯后超前校正的控制器差分方程設(shè)計(jì)由Dz)U(z)EZ)0.8159 z2 - 1.572 z 0.0756Z2 -0.604 z 0.605得出差分方程為:U(k) =0.8159 E(k) - 1.572 E(k - 1)0.0756 E(k - 2)0.604 U(k- 1)0.605 U(k - 2)五控制器電路設(shè)計(jì)5.1控制器的選擇與電路設(shè)計(jì)AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一 個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51

17、可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保 存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件 復(fù)位。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合 在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的 一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且 價(jià)廉的方案。U1P101?：. 2PI23PI31PI4

18、5P16'P173RESE：9101112U14XTAL2HXTAL1L?XGXDT1P1.0 DIXP1.1VCC PO.ft-'ADOPS.2丹 1 ADIP1.3P1.4PO.3AD3P1.5P0.4.-.WJP1.6TO-5.AD5P1.7P03AD6RSTRXDP10EAT7CDPMALE PROGIXTOP3.2PSENINTI P3.3P2.7A15TO/P3.4P2 6A14'1.P3.5P2.5 A13P：.4AI2RDP汀P23 AllXTAL2P2.2AI0XIALIP2.1 A9GXDP2.&ASSTCS9C32z37POO3SPOIr氏

19、)2P03J5P(P34P3533P0632師叮cc40悴AL£CEEOCGNDMCU爺/卜系貌RBSPACK 10k圖5-1 MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖5.2 AD/DA轉(zhuǎn)換芯片選擇與采樣電路的設(shè)計(jì)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它 由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次 逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8通道 多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)， 只選通8路模擬輸入信號(hào)中的 一個(gè)進(jìn)行A

20、/D轉(zhuǎn)換。主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8 位；具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?；轉(zhuǎn)換時(shí)間為100卩s時(shí)鐘為640kHz時(shí)），130ys（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）;單個(gè)+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿 刻度校準(zhǔn)；工作溫度范圍為-40+85攝氏度；低功耗，約15mW。由于該AD內(nèi)部沒有時(shí)鐘，要外接時(shí)鐘輸入,時(shí)鐘可以從單片機(jī)的 ALE引 腳引出,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6即2MHz的頻率，經(jīng)過兩個(gè)D觸發(fā)器4分頻電路分頻，可以得到500KHz的時(shí) 鐘信號(hào),D觸發(fā)器選擇74HC74，這樣AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為130us,由于本系統(tǒng)采樣時(shí) 間為

21、10ms，由上述ADC0809特性可知可以滿足本設(shè)計(jì)要求。vcc四分頻電路圖5-2 AD時(shí)鐘產(chǎn)生電路圖U2GND采樣電路圖圖 5-3 ADDAC0832是美國(guó)資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資 料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)參考電流進(jìn)行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動(dòng)電流I0UT1和I0UT2輸出。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位 D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要參數(shù):分辨率為8位；電流穩(wěn)定時(shí)間1us； 可單緩沖、雙緩沖

22、或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供 電（+5V+15V）;低功耗，20mW。根據(jù)對(duì)DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832 有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。DAC0832引腳功能電路應(yīng)用原理圖DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級(jí) 輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便 適于各種電路的需要（如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等）。所以這個(gè)芯片的 應(yīng)用很廣泛，關(guān)于DAC0832應(yīng)用的一些重要資料見下圖：D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過

23、一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放 大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機(jī)電路連接。將CS、WR1、WR2和XFER引腳接地，ILE引腳接+ 5V，Vref選擇+5V， 8位數(shù)字信號(hào)輸入端 DI0DI7分別接單片機(jī)的 P0.0P0.7引腳。此時(shí)DAC0832 處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入 DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn) 換。28圖5-4 DA轉(zhuǎn)換輸出電路DAC輸出的電壓值為：UoUt5.3程序流程圖結(jié)束圖5-5控制器程序流程圖5.4控制器程序#in elude <reg52.h> #def

24、i ne uchar un sig ned char#defi ne uintun sig ned int sbit START=P2A2;sbit 0E=P2A1；sbit EOC=P2A0；*定時(shí)器初始化 *void Ini t_Timer1(void)II ADC0809采樣時(shí)間用T1產(chǎn)生10ms中斷TMOD = 0x10;TH1 = 0x0D8;TL1 = 0x0F0;EA = 1;ET1 = 1;TR1 = 1;II設(shè)置T1為工作方式1，16位定時(shí)器II裝載初值，設(shè)置定時(shí)10msII開總中斷II允許T1溢出中斷II啟動(dòng)T1*主函數(shù)*/void mai n(void)float uk_仁 0.0;float uk_2=0.0;float uk=0.0;float ek_仁 0.0;float ek_2=0.0;float ek=0.0;II定義變量初值START=0;OE=0;START=1;START=0;Ini t_Timer1(); while(1)if(EOC=1)II輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)II初始化T1IIADC0809轉(zhuǎn)換一次完成后EOC變?yōu)楦唠娖絬k_仁 uk;ek_1=ek; uk_2=uk_1; ek