最少拍控制系统设计

1、扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题目：最少拍控制系统设计课程：计算机控制技术课程设计专业： 电气工程及其自动化班 级：姓 名：学 号：第一部分任务书17计算机控制技术课程设计任务书、课题名称最少拍控制系统设计二、课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。计算机控制技术是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地 位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件

2、电路设计等 方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整 体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事 计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。三、课程设计内容设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制 系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 （用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）； 由运放实现的被控对象。2. 控制算法：最少拍控制。3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、

3、最少拍控制程序、D/A输出程序等。四、课程设计要求1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V+5V ）。3.每个同学选择不同的被控对象：G(s)5(s 1)(0.8s 1)G(s)4s(0.4s 1)G(s)5s(s 1)(0.2s 1)G(s)5(0.8s 1)(0.3s 1)2.模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号(s 1)(0.4s 1)5s(0.8s1)8s(0.8s1)(0.2s 1)5(0.8s1)(0.2s 1)G(s)G(s)G(s)G(s)104. 设计无纹波最少拍控制器。被控对象有积分环节的按斜坡输入信号设计控制器，否

4、则按阶跃输入信号设计控制器。5. 定时中断间隔可在10-50ms中选取，采样周期取采样中断间隔的整数倍，可取1000-2000ms，由实验结果确定。6. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。有关的设计资料可参考计算机控制实验指导书的相关内容。五、课程设计实验结果1. 控制系统能正确运行。2. 正确整定PID参数后，系统阶跃响应的超调)只要调试 W102是W102加上R4为2K，那么输出的电压 VoutVcc(2D1)，由此可知，实现了 D/A转换的双极性输出。3.4给定的被控对象的实现课程设计任务书中有 8个被控对象，我们取其中一个分析被控对象是如何实现的。 被控对象为 G(s)s(0.4s1)

5、的实现的硬件电路图为在该图中，左边的积分环节通过选取500K的输入电阻和2UF的并联电容来实现，右边的放大器上并联了 R=200K和C=2uF实现时间常数 T2=0.4s，然后通过 R7/R8=4实现放大系数 Kp=4的要求。4最少拍无纹波系统控制算法设计4.1最少拍无纹波控制的基本原理按最少拍有纹波系统设计的控制器，其系统的输出值跟踪输入值后，在非采样点有纹波存在；原因就在 于当偏差为0时，数字控制器的输出序列u(k)不为恒值(常数或零)，而是振荡收敛的；非采样时刻的纹波现象不仅造成非采样时刻的偏差，而且浪费执行机构的功率，增加设备磨损，因此必须消除。4.1.1设计最少拍无纹波控制器的必要条

6、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)=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。4.1.2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(l 1)z (l 1U(z) u(

7、k)z k u(0) u(1)z 1. u(l)zk 0如果系统经过I个采样周期到达稳态，无纹波要求:u(l) 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)翥 GIrrA(z)R(z)G(z)的全部零点及滞后环节。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w令(z) zdB(z)F2(z) z d(1 biz1)F2(z)i 1w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,b w为其所有零点。F2(z)121 z222zf2nZ由此可见，有纹波和无纹波设计唯

8、一区别在于：有纹波设计时，(z)包含G(z)单位圆上和单位圆外的零点；无波纹设计时， 包含G(z)单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点。4.1.3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；w 按(z) z d(1 biz 1)F2(z)选择(z)i 1v j按 e(z)1(Z)(1 qz1)(l z1)qF!(z),q ji 1v j和 e(z) 1(z) (1 ajZ1) z 1)j F1(z),qj 选择 e(z)；i 1 F1(z)、F2(z)阶数的确定1F/z)1fuZJzm1mZF2121 z222

9、 zn2nz若G(z)有j个极点在单位圆上，即 z = 1,当j w q ,有m=w+dn=v-j+q若G(z)有j个极点在单位圆上，即 z = 1,当j q，有m=w+dn=v4.2最小拍无纹波控制的算法实现对于具体的被控对象，如G(s)4s(0.4s 1)要实现对它的计算机控制算法的设计需要经过一系列的计算。首先广义对象的脉冲传递函数G(z) 2.531平(1 .45051)，对于该式，输入速度信号，能满(1 z )(1 0.0821z )足无纹波控制的要求，且 D=0,q=2,v=1,w=1,且j0) k-;EX1 =1;5.2重要程序的作用与实现5.2.1任务的分配主程序主要实现系统初

10、始化和变量初始化的操作，具体来说，如流程图所示，包括设定定时器的工作状 态、定时器装初值、设定外中断类型、开外中断和定时中断、启动定时器、D/A清零、变量清零等内容，完成上述操作后就等待进入定时中断。定时中断程序实现的功能有两个：一是重新装入定时初值，二是启动D/A转换进而能进入转换外中断。外中断服务程序实现了采样和计算输出控制量的功能。首先检查是否到了同步信号，如果到了，就把输 出清零、变量初始化并给采样周期值，没到就检查是否到了采样周期。如果到了采样周期，就进行下一步的 采样和计算。具体就是，依次采样 7号通道和6号通道, 输出u(k)，然后检查控制量是否溢出，溢出了就取相应的最值。 递推

11、和采样周期恢复，就返回了。5.2.2重要程序的源码介绍A/D转换程序lf(TC=O)con t=ADC_7-128;DEFI=0;str =0;set =ADC_7-128;DEFI=1;EK=cont-set;从以上程序中我们可以知道， 当采样周期到时， 首先采样 7 号端口的数值然后选中 6号端口， 启动转换， 等待200uS后，采样6号端口的数值，需要注意的一点是在6号端口的数据转换完成后也会产生中断信号影响计算机的控制， 因此在等待转换之前要先关掉外部中断， 等转换完成后再打开。 于是两通道都完成采样了。 最少拍控制程序开始我们已经计算出最小拍的控制输出和偏差以及之前的控制输出之间的关

12、系是： u(k)=0.593u(k-1)+0.4070u(k-2)+0.6294e(k)-0.4087e(k-1)+0.0293e(k-2) 。于是首先定义一些变量 YY0 、YY1 、YY2 、 YY3、HH1、HH2、HH3，在主函数中赋给他们计算出的相应的数值，然后在中断服务程序里进行计算，对 应的程序就是：float KK0 = -0.1896;/系数 YY0float KK1 = -0.04109;/系数 YY1float KK2 = 0.02798;/系数 YY2float KK3 = 0;/系数 YY3float PP1 = 1.9572;/系数 HH1float PP2 = -

13、0.9145;/系数 HH2float PP3 = -0.04276;/系数 HH3float G = 1;/增益调整 i = YY0*EK + YY1*EK_1 + YY2*EK_2+YY3*EK_3 ; j = HH1*UK_1 + HH2*UK_2 + HH3*UK_3; UK = G*i + j;M,M_1,N,N_1 。滤波程序的介绍 为了实现滑动滤波的功能，要定义四个变量来保存采样值 程序如下：cont=(ADC_7-128+M+M_1)/3;M_1=M;M=ADC_7-128;set =(ADC_7-128+N+N_1)/3;N_1=N;N=ADC_7-128;通过滑动的方法，每

14、次计算偏差 EK 时取本次和前两次的采样值取平均的方法，实现了滤波的功能，并 且通过变量 M,M_1,N,N_1 的递推实现滑动的效果。6 实验与结果分析6.1 仿真结果 为了验证计算数据是否正确，首先，我们利用已有的MA TLAB 仿真程序对数据进行了仿真，得到的情况截图如下：寻P為昶3从图上的效果来看是能够满足控制的要求的，所计算的数据是正确的。6.2上机调试结果以下为针对以上介绍的例子G (s)4s(0.4s 1)在成功时的输出波形图:|T1-T2| = 466.3 hk|V1-V2| = 410 mv7小结与体会在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，连接 起来也很困难，因为我们要查找模块，选择电阻和电容。还要将电脑中的程序载入模块，调试运行。在调试的过程中，遇到的问题更多，调试的过程是一个让人思考 的过程，也是熟悉稳态方法和实践动手的好机会，顺着模块的顺序依次排查接线，出现问题，想出各种可能 的情况，测试解决。通过这次的课程设计，锻炼了我的动手实践能力，让我有机会将课本所学的知识与实际相结合。切身体 会到动手能力的重要。同时电路的设计修改也是我将知识整理融汇的过程，在某些课设涉及的地方我的理解 更加深入了。今后随着学习的深入，还会有更加深入的理论方法