微机控制课程设计

1、目录1 课题简介2 总体方案设计3 硬件电路设计4 控制算法设计5 软件编程设计6 实验结果与分析7 小结最少拍无波纹控制系统设计1 课题简介由于最少拍无波纹控制系统模拟连续系统要求的参数准确， 但在实验电路中 的元器件自身参数的不准确性， 及受温度或其它因素的影响， 很难做到参数的准 确，特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定， 输出波形易出现失真， 很 难得到理想的结果， 多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型， 这种仿真模型 构建方法相对简单， 仅用比例积分、 一阶惯性和传输函数数学模块搭建， 可避免 参数的不准确性。最少拍无纹波数字控制器，要求具有以下特点： ()准确性。 对特定的

2、参考输入信号在到达稳态后系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号 即采样点上的输出不存在稳态误差。 ()快速性。在各种使系统在有限拍内到 达稳态的没计中系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。 ()稳定性。 数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。 在采样点上的输出不 存在稳态误差，但在采样点间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系 统。若在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差， 则这系统为无波纹最少 拍控制系统。 它们各有自己的优点， 也都存在一些不足。 最少拍无纹波数字控制 系统在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差， 但是它的响应速度相对较 慢最少拍无纹波控制系

3、统， 其控制算法都是依据被控对象的准确的数学模型 G(z) 来确定的。2 总体方案设计设计要求：根据题目要求， 设计无波纹最小拍控制器。 采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为 Gc(s)，要求系统在单位速度信号输入时，c s(0.8s 1)实现无波纹最小拍控制， 用离散设计法设计数字控制器用 51单片机经 0809 采集 计一个模拟量并转化为数字量在单片机内的最少拍无波纹控制算法输出数字量 再经过 0832 转化为模拟量输出，对被控对象进行控制。最少拍无波纹控制器的设计理论：图 1 数字控制系统原理图数字控制器模拟化设计方法是基于连续系统的设计， 并在计算机上采用数字模拟 方法来实现，

4、选用的采样周期须足够小， 且采样周期的变化对系统影响不大。 如 图 1 的数字离散控制系统中， GC(S)为被控对象，其中 H(S)= (1-e-TS)/S 代表零阶保持器， D(Z)代表被设计的数字控制器，它是由单片机来实现的， D(Z)的输入输 出均为离散信号。上面图 1 示计算机控制系统框图中： Gc(s) 被控对象的连续传递函数 D(z) 数字控制器的 Z 传递函数 H(s) 零阶保持器的传递函数， T 采样周期广义对象的脉冲传递函数为：系统闭环脉冲传递函数为：系统误差脉冲传递函数为：G(z)=Z H (S)?GC(S)(z)=CR(zz)=1DD(z()zG)G(z()z)e(z)=

5、ER(zz)=1-(z)=1 D(z)G(z)(1)(3)数字控制器脉冲传递函数：(4)D(z)=U (z) = 1 (z)E(z) G(z) 1 (z)若已知 Gc(s) ，且可根据控制系统的性能指标要求构造 (z)，则根据E(z) G(z) 1 (z)G(z)= Z1 e ?Gc(s) =(1-z-1)Z Gc(s) 和 D(z)=U ( z)1(z)ss得数字控制器得离散化设计步骤：1) 求广义对象的 Z 传递函数 G(z)；2) 根据控制系统的性能指标和其他约束条件，确定所需的闭环传递函 数 (z)；3) 求数字控制器的 Z 传递函数 D(z)；4) 根据 D(z)求取控制算法的递推公

6、式，设 D(z)的一般形式1、闭环 Z 传递函数 (z)的确定； 由图 1：误差 E(z)的 Z 传递函数为：e(z)=ER(zz)=1-(z)=11D(z)G(z)数字控制器脉冲传递函数：D(z)=U (z) = 1 (z)E(z) G(z) 1 (z)从上式看出， D(z)的求取主要取决于 (z), 或者 e(z)， (z)的选择根据稳、准、 快等指标设计。下面分析系统闭环传递函数 (z)的确定。1、设计最少拍无纹波控制器的必要条件 无纹波系统要求系统的输出信号在采样点之间不产生纹波，必须满足： 对阶跃输入，当 t NT 时，有 y(t)=常数；对速度输入，当 t NT 时，有 y(t)=

7、常数；即 G (s)中至少要有一个积分环 节，对加速度输入，当 t NT 时，有 y(t)=常数；G (s)中至少要有两个积分环 节，这样，被控对象 G (s)必须有能力给出与系统 r(t)相同且平滑的输出。因此，设计 最少拍无纹波控制器时，针对输入对象必须有足够的积分环节。2、最少拍无纹波系统确定 (z)的约束条件要使系统的稳态输出无纹波， 就要求稳态时的控制信号 u(k)为常值 (包括 0)。控 制信号 u(k)的 Z 变换：U(z) u(k)z k u(0) u(1)z 1 . u(l)z l u(l 1)z (l 1) .k0如果系统经过 l 个采样周期到达稳态，无纹波要求：u(l)

8、u(l 1) u(l 2) . 常数(包括 0)设广义对象 G(z)B(z)A(z)由Y(z) G(z)U (z)U(z) YG(zz) G(zz) R( z) z dB(z()z) A(z)R(z)要使 u(k)为常数， u(k)必须是 z-1 的有限多项式。故闭环传递函数必须包含 G(z) 的全部零点及滞后环节。w令 (z) z dB(z)F2(z) z d (1 biz 1)F2(z) i1w为 G(z)所有零点数(包括单位圆内、单位圆上以及单位圆外的零点) ，b1,b2, ,bw 为其所有零点。F2 (z) f21z222 zf2nz由此可见，有纹波和无纹波设计唯一区别在于：有纹波设计

9、时， (z)包含 G(z)单位圆上和单位圆外的零点； 无波纹设计时， (z)包含 G(z)单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点3、最少拍无纹波控制器确定 (z)的步骤确定 (z)必须满足下列条件： 被控对象中含有足够的积分环节，以满足无纹波系统设计的必要条件；按(z) z dw(1i1biz 1) F2 ( z) 选择 (z)按e(z) 1(z)vj1 1 q (1 aiz 1)(1 z 1)q F1(z),q j i1和e(z) 1(z)vj (1 aiz 1)(1 z 1) jF1(z),q j选择 e(z)； i1F1(z)、 F2(z)阶数的确定 F1(z) 1 f11z 1 f12

10、 zF2 (z) f21z222z1m3 硬件电路设计1）、控制电路整体原理图如下所示2）、各部分元件接口电路（1）AD转换器AD转换器选 ADC0809。 ADC0809是一种逐次比较式的 8 路模拟输入， 内部 具有锁存功能，故不需要加地址锁存器。 ALE引脚为地址锁存信号， 高电平有效， 三根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，故将ALE接高电平。系统只需要一路信号，选择 IN-0 通道作为输入。START引脚为 AD转换启动信号，高电平有效，程序控制。 AD 采样值为系统 的偏差信号，故选择 ADC0809的VREF 为 5V。由于 ADC0809的时钟所限， AD 转换器的时钟信号

11、，由单片机引脚产生，将 CLOCK引脚接单片机的引脚。由单片机产生 500khz 的时钟信号。单片机晶振频 率选择为 12MHz。EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正 在进行 A/D 转换。设计将其接单片机引脚由程序读入，判断 AD 是否转换完成。 AD转换结果由 P0口读入，故将 AD转换器的输出与单片机 P0 口相连，高低位依次相连。设计 AD 转换器的接口电路如图所示：AD转换器接口电路（2）DA转换器 DA转换器选择 DAC0832。DAC0832是具有两个输入数据寄存器的 8位 DAC, 可以直接（与 51单片机相连。参考电压 VREF =+5

12、V ，直接与供电电源相连。因为输出的 C（t）可能有负的情况，故选择 DAC为双极性电压输出。 DA 输出 值为：u0u(k)VREF128DAC0832的引脚接法下：CS：片选端，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，直接接高电平。WR2：DAC寄存器写选通控制端，直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，直接接地。WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将 输入数据锁存到 DAC寄存器，将该引脚与单片机引脚相连， 由程序控制 DA 转换 的时间。 D10D11：与单片机 P0 口相连。设计 DA 转换器的接口电路如图所示：DA转换器接口电路3）单片机最小系统

13、图如下所示：4. 控制算法设计最小无波纹控制器设计1）控制对象的离散化：带零阶保持器的广义被控对象为 GTs1 eGc (s)s则 G (s)s1e5(1G( z) 5(1s(0.8 s 1)1 0.8 )( 2 ss1 z 1z ) 1 2(1 z )0.8 )0.8s 1)0.81 z 10.811 e 0.8 z 12.15z 1(1 0.658 z 1)= 1 1(1 z 1)(1 0.287 z 1)(2)无波纹最小拍控制器 D(z)v=1,一个零点 b1=，两个极点，单位速度根据 G(z)，对象有一个纯滞后因子信号输入 q=2,所以 v=1， w=1，m=1， q=2，由于 G(z

14、)有一个不稳定的极点 z=1， 准确性条件中包含了稳定性条件， 故可降一阶设计， 则设系统闭环脉冲传递函数为 (z) z 1(1 0.658z 1)( 0 1 z 1) ， 设 系 统 误 差 传 递 函 数 为 e(z) (1 z1)2(1 1z1) 由 (1) 1.718( 0 1) ， (1) 2.316 0 3.974 1 及 e(z) 1 (z) ，待定系数法得 0 1.446 ， 1 0.842 ， 1 0.554 ，则系统闭环脉冲传递函数为 (z) 1.446 z 1(1 0.658z 1)(1 0.582 z 1) ，系统误差传递函数 为 e(z) (1 z1)2(1 0.55

15、4z 1)，由D(z)(z) 得设计的数字控制器为：e G(z)* e (z)D(z)0.673z2 0.585 z 0.1122z2 0.446z 0.5540.673(1 0.287 z 1)(1 0.582 z 1) (1 z 1)(1 0.554z 1 )3)、数字控制器差分方程将D(z) UE(zz) 得系统的差分方程为：u(k) 0.446 u(k 1) 0.554u (k 2) 0.673e(k) 0.585e(k 1) 0.112e(k 2)5.软件编程设计根据 D(z)的计算机控制递推算式，画出程序流程图，最后编写程序1)最少拍无波纹数字控制器程序流程图图2）程序：ORG 0

16、000HAJMPMAIN1ORG000BHAJMPIT0SORG0013H； INT1中断服务程序入口AJMP PINT1MAIN1: MOV SP,#60HMOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HMOVIE,#82HMOVR7,#00HSETBSETBTR0MOVR1,#70H； 置数据区首地址SETBIT1；INT1 为边沿触发方式SETBEA；开中断SETBEX1；允许 INT1 中断LOOP: SJMP LOOPIT0S: INC R7CJNE R7,#0AH,NEXTCLPMOV R7,#00HNEXT: MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0B0

17、HRETIPINT1：PUSHPSWPUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR,#7FF8HMOVXA,DPTRMOVR1，AINCR1MOVXA,DPTRMOVR1，AINCR1MOVXA,DPTRMOVR1，APOPDPHPOPDPLPOPACCPOPRETIPSWMOVR2,#70HMOVR3,#71HMOVR4,#72HMF3 :MOVA,R2CLRCSUBBA,R3JCMF1MOVA,R2XCHA,R3MOVR2,AMF1：MOVA,R3CLRCSUBBA,R4JCMF2ORG 2100H;中断服务程序入口;保护现场；指向 IN0 通道；启动 A/D 转换 ；采集第一个

18、数；采集第二个数；：采集第三个数；滤波程序;R2,R3时，交换 R2， R3;R3R4否MOVA,R4XCHA,R3MOVR4,AMOVA,R3CLRCSUBBA,R2JNCMF2MOVA,R2MOVR3,A;中值在 R3 中CLRCDATACONS0DB;存 放 系 数 a0CONS1DB;存放 系数 a1CONS2DB;存放 系数 a2CONS3DB;存 放系 数 a3CONS4DB;存 放系 数 a4GEC1DB; 存放 给定 值GEC2DB;存放 输出反馈 值SUB1DB; 存放 偏差 值 e( k)SUB2DB; 存放 偏差值 e( k-1)SUB3DB; 存放 偏差值 e( k-2)MID1DB;存放 系 数(k)MID2DB; 存放 系数 (k-1)MID3DB;存放 系 数(k-2)MID4DB; 存放 系 数 a0U(k-1)