哈工大威海計算機(jī)控制課程實(shí)施方案

個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)《計算機(jī)控制》課程設(shè)計報告題目:最小拍控制器設(shè)計姓名:雷鋒學(xué)號:1102304202014年7月4日1/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)《計算機(jī)控制》課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)號110230420班級1102304學(xué)生雷鋒指導(dǎo)教師任倩題目最小拍控制設(shè)計設(shè)計時間2014年6月27日至2014年7月4日共1周設(shè)計任務(wù)：設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)地連續(xù)部分和零階保持器地傳遞函數(shù)分別為Gp(s)10,Gh(s)1eTss(s1)，采樣周期T=0.1s，設(shè)計數(shù)s字控制器D(z)，要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實(shí)現(xiàn)最小拍無波紋控制 .設(shè)計要求

方案設(shè)計：完成控制系統(tǒng)地分析、設(shè)計；選擇元器件，完成電路設(shè)計，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；編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上地控制算法.報告內(nèi)容：控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期地選擇、數(shù)字控制器地脈沖傳遞函數(shù)和差分方程；元器件選型，電路設(shè)計，以及繪制地Protel原理圖；軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋地源程序；設(shè)計工作總結(jié)及心得體會；列出所查閱地參考資料.指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2014年6月27日2/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)最小拍控制設(shè)計最少拍設(shè)計是系統(tǒng)在典型地輸入作用下， 設(shè)計出數(shù)字調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)地調(diào)節(jié)時間最短或者系統(tǒng)在有限個采樣周期內(nèi)結(jié)束過渡過程 .最少拍控制實(shí)質(zhì)上是時間最優(yōu)控制，系統(tǒng)地性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時間最短 (或者盡可能地短).b5E2RGbCAP一、設(shè)計題目分析1、題目：設(shè)單位反饋線性定常離散系統(tǒng)地連續(xù)部分和零階保持器地傳遞函數(shù)分10,Gh(s)1eTs別為Gp(s)，采樣周期T=0.1s，設(shè)計數(shù)字控制器D(z)，s(s1)s要求系統(tǒng)在單位斜坡輸入時實(shí)現(xiàn)最小拍無波紋控制 .p1EanqFDPw2、分析：R（z） E(z) U(z) C(z)D(Z) G(Z)如圖所示，D(z)為待設(shè)計地最少拍控制器， G(z) 是廣義被控對象，包括零階保持器Gh(s)和被控對象Gp(s) .要求按照單位斜坡輸入設(shè)計最小拍控制器，分析最小拍控制器設(shè)計特點(diǎn) .DXDiTa9E3d二、控制系統(tǒng)設(shè)計1、控制器參數(shù)計算（1）廣義脈沖傳遞函數(shù)地求取G(s)Gp(s)Gh(s)101eTs(1eTs)[101010]（1）s(s1)ss2ss1對G(s)進(jìn)行z變換，T0.1sG(z)Z[G(s)](1z1)[10Tz10z10zT]0.0484z1(10.9661z1)2z1ze(1z1)(10.9048z1)(z1)（2）（2）無波紋最小拍控制器 D(z)3/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)(z)(f1z1f2z2)(10.9661z1)（3）(1)1.9661(f1f2)1(1)0解得f11.2665f20.7582數(shù)字控制器地脈沖傳函(z)(1.2665z10.7582z2)(10.9673z1)r(t)t單位速度輸入R(z)Tz10.1z1（4）(1z1)2(1z1)2U(z)C(z)R(z)(z)（5）G(z)G(z)0.1z1(1.2672z10.7586z2)(10.9661z1)(1z1)(10.9048z1)(1z1)20.0484z1(10.9661z1)2.618z1 1.112z2 0.307z3 0.307z4(z)D(z) （6）G(z)(1 (z))(1.2665z10.7582z2)(10.9673z1)(1z1)(10.9048z1)(1(1.2665z10.7582z2)(10.9673z1))0.04837z1(10.9673z1)26.183639.281z114.1823z210.2661z10.7333z2u(k)0.27u(k1)0.7u(k2)26.18e(k)39.28e(k1)14.2e(k2)（7）2、無波紋最小拍控制系統(tǒng) Smulink仿真仿真圖為：4/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)仿真結(jié)果為：（1）系統(tǒng)輸入及系統(tǒng)輸出曲線 c（t）圖形如下：0.100 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5（2） 系統(tǒng)誤差e（t）曲線如下：80.060.040.020-0.020.050.40.450.50（3）控制器輸出u（k）曲線如下：543210-1-2-3-4-50.050.40.450.50通過仿真曲線看出：控制器 D(z)滿足設(shè)計要求.采樣周期T=0.1時，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)輸出不會產(chǎn)生波紋， 達(dá)到無波紋輸出時ts=0.3s.RTCrpUDGiT將D(z)U(z)得系統(tǒng)地差分方程為：E(z)u(k) 0.27u(k 1) 0.7u(k 2) 26.18e(k)-39.28e(k 1) 14.2e(k 2)三、硬件電路設(shè)計及元件選型控制器部分由A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器和8051單片機(jī)組成.模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采5/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)用ADC0809，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用DAC0832.單片機(jī)晶振為12MHz，ADC0809地時鐘可由單片機(jī)ALE引腳輸出經(jīng)4分頻得到，因此采用兩個D觸發(fā)器74LS74.DAC0832采用雙極性電壓輸出，運(yùn)算放大器采用OPAMP.5PCzVD7HxA1、控制器電路原理圖如圖3-1所示C5U138X1C1U3R1U2C6R1U5:AU5:BR5R3R3U6:AU6:A圖3-1控制電路原理圖2、ADC0809與單片機(jī)連接部分AD轉(zhuǎn)換器選ADC0809,ADC0809是一種逐次比較式地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，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，故將ALE接高電平.jLBHrnAILg系統(tǒng)只需要一路信號，選擇 IN-0通道作為輸入.START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制.AD采樣值為系統(tǒng)地偏差信號，故選擇ADC0809地VREF為5V.xHAQX74J0XEOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號.當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.設(shè)計將其接單片機(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)換器地輸出與單片機(jī)P0口相連，高低位依次相連.ADC0809與單片機(jī)連接部分電路如圖3-2所示:LDAYtRyKfE6/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)C5U119XTAL1P0.0/AD039AD033uF38AD1P0.1/AD1X137AD218P0.2/AD2CRYSTALXTAL2P0.3/AD336AD335AD4C1P0.4/AD434AD5P0.5/AD533AD6P0.6/AD6932AD7RSTP0.7/AD733uf+5V21STARTP2.0/A822CLKP2.1/A923EOCU3P2.2/A10R12924DA-WPSENP2.3/A1126253025inputIN0ADDAALEP2.4/A1227243126IN1ADDB10kEAP2.5/A13282327IN2ADDCP2.6/A1412228IN3ALEC6P2.7/A152IN4321ADODA0110IN52-1MSBP1.0P3.0/RXD420AD1DA1211IN62-2P1.1P3.1/TXD519AD210uFDA2312IN72-3R1P1.2P3.2/INT018AD3DA34132-4P1.3P3.3/INT1START68AD4DA4514START2-510kP1.4P3.4/T0EOC715AD5DA5615EOC2-6P1.5P3.5/T1914AD6DA6716OUTPUTENABLE2-7P1.6P3.6/WR1017AD7DA7817CLOCK2-8LSBP1.7P3.7/RD1113VCCGNDAT89C51V12VREF(+)V516VREF(-)-ADC0809圖3-2ADC0809與單片機(jī)連接電路3、DAC0832與單片機(jī)連接部分DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器地 8位DAC,可以直接與51單片機(jī)相連.參考電壓 VREF=+5V，直接與供電電源相連.Zzz6ZB2Ltk因為輸出地C（t）可能有負(fù)地情況，故選擇DAC為雙極性電壓輸出.DA輸出值為：VREFu0 (B 128)DAC0832地引腳接法下：CS：片選端，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，直接接高電平 .WR2：DAC寄存器寫選通控制端，故直接接低 .XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地 .WR1；第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效.其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機(jī)P2.3口相連，由程序控制DA轉(zhuǎn)換地時間.dvzfvkwMI1D10~D11：與單片機(jī)P0~P7相連.DAC0832與單片機(jī)連接部分電路如圖3-2所示U21CSVCC20219WR1ILE(BY1/BY2)318DA3GNDWR2417DI3XFERDA2516DA4DI2DI4DA1615DA5DI1DI5DA0714DA6DI0DI6813DA7VREFDI7912RFBIOUT21011GNDIOUT1DAC0832圖3-2DAC0832與單片機(jī)連接部分4、DAC0832外圍電路7/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)電路分析：D/A轉(zhuǎn)換器為電流輸出，經(jīng)過兩個運(yùn)算放大器和適當(dāng)?shù)仉娮铇?gòu)成雙極性電壓輸出.DAC0832外圍電路如圖3-3所示DA0 DA6DA7U5:AU5:B88537R516output21k44LM358LM358R3R32k2k圖3-3DAC0832外圍電路5、被控對象連接部分電路分析：被控對象Gp(s)10可以看做由Gp1(s)10和Gp2(s)1s(s1)ss1構(gòu)成，因此可由兩個運(yùn)放與相應(yīng)電阻、電容串聯(lián)搭建成以上電路 .其輸入為DAC0832地雙極性輸出電壓.其輸出就為系統(tǒng)輸出，將其輸出與給定輸入信號相比較作為ADC0809地輸入.rqyn14ZNXI被控對象連接部分電路如圖3-4所示U4:AU4:AR10R10C2被控對象圖3-4被控對象連接部分電路

RC2四、程序流程圖及源程序1、流程圖如下：8/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)主程序 采樣中斷服務(wù)開始 定時器初值重裝N到達(dá)采樣周期初始化Y采樣周期變量初始化 采樣周期變量加 1等待中斷A/D采樣計算u(k)采樣變量賦新值D/A輸出u(k)中斷返回2、定時器T0地初值計算機(jī)器周期為1s1106s設(shè)：需要裝入T0地初值為X,采樣周期為0.1s則：(216X)11065010-3解得，X 15536 0x3cb0T0地初值 TH0 0x3c;TL0 0xb03、源程序#include<reg51.h>sbitstart=P2^0;//AD啟動信號sbitEOC=P2^2; //AD轉(zhuǎn)換完成信號sbitDA-W=P2^3;//DA轉(zhuǎn)換信號unsignedcharad_data; //AD采樣值unsignedcharcount=0;//定時標(biāo)記值chare; //定義當(dāng)前采樣值charu; //定義DA輸出量9/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)charu0=0;charu1=0;chare0=0;chare1=0; //前兩次采樣值和前兩次控制值floattemp; //設(shè)置指針voidAD() //AD采樣函數(shù){Start=0;Start=1;//啟動AD轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換Start=0;while(EOC==0);//轉(zhuǎn)換未結(jié)束，空循環(huán)ad_data=P0; //轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取 AD輸出值}voidTimeInnitial() //定時器中斷初始化函數(shù){TMOD=0X11; //定時器0采用方式1TH0=0X3C;//設(shè)置定時器0初值TL0=0XB0;EA=1; //開中斷ET0=1; //允許T0溢出中斷TR0=1; //開定時器T0}voidmain() //主函數(shù){TimeInitial();Start=0;//啟動信號為0DA-W=0;P1=0x80;DA-W=1;//控制器初始輸出為 0While(1);//空循環(huán)，等待中斷}void t1(void)interrupt1using1 //定時器T0中斷函數(shù){TH0=0x3c;TL0=0xb0; //重裝初值if(count==2) //采樣周期為0.1s{count=0;AD(); //0.1s后，讀取AD采樣值e=ad_data-128;//采樣實(shí)際偏差值temp=0.27*u1+0.7*u0+26.18*e-39.28*e1+14.2*e0;//差分方程EmxvxOtOcoif(temp>0) //當(dāng)前輸出值大于零{if(temp>127)//判斷是否溢出10/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)u=127;//溢出取極值elseu=(char)temp;//控制器輸出值}else //當(dāng)前輸出值小于零{if(temp<=-127)u=-127; //判斷是否溢出，溢出取極值elseu=(char)temp; //控制器輸出值}P1=u+128; //DA輸出值u0=u1; //控制量遞推賦值u1=u;e0=e1; //偏差量遞推賦值e1=e;DA-W=0;DA-W=1；//上升沿DA輸出}elsecount++; //定時不到2次即不滿0.1秒，繼續(xù)計時}五、設(shè)計工作總結(jié)及心得體會這次課程設(shè)計可謂是整合了計算機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)基本原理以及模擬、數(shù)字電路基礎(chǔ)地相關(guān)知識 .結(jié)合前段時間地計算機(jī)控制系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)，此次課程設(shè)計地過程讓我再一次更加深入地理解最小拍控制地原理 .設(shè)計過程中用到了Matlab仿真、Simulink仿真以及Proteus搭建硬件電路圖，通過查閱相關(guān)書籍，上網(wǎng)和請教同學(xué)，對軟件有了一定程度地了解 .對于單片機(jī)源程序地編寫，讓我們對C語言以及單片機(jī)工作機(jī)理有了更加深刻地理解 .SixE2yXPq5課程設(shè)計過程地過程，充分考驗了自己地學(xué)習(xí)能力以及知識整合地能力，雖然進(jìn)行起來不是那么順利，但卻讓我受益良多 .我深刻意識到，在以后地學(xué)習(xí)過程中不僅要泛，更要精 .知其然，亦知其所以然，加強(qiáng)對知識地整合應(yīng)用能力.6ewMyirQFL六、參考文獻(xiàn)《計算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計》 何克忠，郝忠恕編著清華大學(xué)出版社《MATLAB仿真在通信與電子工程中地應(yīng)用》徐明遠(yuǎn)，邵玉斌編著西安電子科技大學(xué)出版社 kavU42VRUs張毅剛 主編. 單片機(jī)原理及應(yīng)用 高等教育出版社11/13個人收集整理 僅供參考學(xué)習(xí)版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整理 .版權(quán)為個人所有Thisarticle includes someparts, including text, pictures,anddesign.Copyrightispersonalownership. y6v3ALoS89用戶可將本文地內(nèi)容或服務(wù)用于個人學(xué)習(xí)、 研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律地規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人地合法權(quán)利 .除此以外，將本文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時， 須征得本人及相關(guān)權(quán)利人地書面許可，并支付報酬.M2ub6vSTnPUsersmayusethecontentsorservicesofthisarticleforpersonalstudy,researchorappreciation,andothernon-commercialornon-profitpurposes,butatthesametime,th