自动化课程设计 串联滞后校正

1、计算机控制课程设计报告题目: 串联滞后校正控制器设计 姓名: 学号: 2013年12月2日计算机控制课程设计任务书学 号=班 级=学 生=指导教师=题 目串联滞后校正控制器设计设计时间2013年 11 月 25 日 至 2013 年 12 月 2 日 共 1 周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度输入时，稳态误差小于1%，相角裕度。方案设计：1. 完成控制系统的分析、设计；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

2、原理图；3. 编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、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。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：2013年 11 月 25 日一、设计目的 设计滞后校正控制器二、设计要求 熟练掌握MATLAB仿真设计、Protel绘图软件的使用、以及单片机C语言编程，进行控制系统仿真设计。三、设计任务设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，

3、使校正后的系统满足：速度输入时，稳态误差小于1%，相角裕度。 四、设计过程1、控制系统建模分析串联滞后校正应用：1) 对系统响应速度要求不高而抑制噪声电平性能要求较高的场合；2）若待校正系统已具备满意的动态特性，而稳态性能不满足指标要求，也可采用串联滞后校正来提高稳态精度，同时保持其动态特性基本不变。基本原理： 利用滞后网络或PI控制器的高频衰减特性，使已校正系统截止频率下降，从而获得足够的相角裕度。因此，滞后校正网络的最大滞后角应避免出现在系统截止频率附近。1.1设置控制器(1) 根据稳态误差,求K。 取K为120 (1)(2) 画出控制对象的Bode图(3) 计算剪切频率，相角裕量。 54

4、.7rad/s 18090arctan（0.04）24.57 (2) 相角裕度不足，不满足条件(4) 求出相角裕量= 处的频率，为加控制器后的穿越频率。 401560 (3) 相角裕量为60时对应为14.43rad/s。(5) 被控对象bode图在=14.43rad/s处的增益为,求出b. b=6.93 = =3.61 (4) 0.52 (7) 此时滞后控制器为 （s） (5) （s）即为数字控制器的脉冲传递函数。 校正后的开环传递函数 G(s) (s)(s) (6)(8) 验证加控制器后的系统的性能指标。 相角裕度4840 使用MATLAB对滞后控制器函数和校正后的开环传递函数进行离散化并画

5、出图像。 Go=tf(100,0.04 1 0) %被控对象传递函数 Gc=tf(0.192 0.694,1.92 1) %控制环节传递函数 G=Go*Gc Gcz=c2d(Gc,0.01) %离散化 Goz=c2d(Go,0.01) %离散化 Gz=Goz*Gcz figure(1) %画出图像 margin(Go) hold on margin(G) legend(Before,After) %在图像中标出每条线的意义 hold off figure(2) sys1=feedback(G,1); step(sys1); hold on sys2=feedback(Gz,1); step(s

6、ys2); hold off legend(Continue,Discrete)图1 控制环节和被控对象的Bode图图2 离散化前后GoGcc的阶跃响应输出一开始设定的采样周期为0.05s，观察图像间隔较大，不合适，把周期时间调短，至0.01s方才合适。1.2 控制器脉冲传递函数生成及其matlab仿真采用双线性变换离散后的脉冲传递函数为: (z) = 再由simulink仿真离散控制器：图3 Simulink仿真 1.3 控制器差分方程设计 根据控制器脉冲传递函数，可得 u(k)= 0.1694u(k-1)-0.16e(k)- 0.08936e(k-1) 2、控制器电路设计2.1元器件选型1

7、、控制器 控制器选择AT89C51单片机，晶振选择12MHZ。单片机电路如图4。2、AD转换器 AD转换器选择ADC0804, 它是8位CMOS连续近似的A/D 转换器。可输入差动模拟信号，Ui=Ui（）Ui（）。本设计使用单端输入，将Ui（）引脚接地，信号由Ui（）引脚输入。INTR引脚与单片机INT0引脚连接，CS片选引脚接地，RD、WR引脚分别与单片机RD、WR引脚相连，DB0DB7分别与单片机P1.0P1.7相连。 ADC0804可以选用内部时钟或外部时钟，本设计选用内部时钟信号，只需在CLK R及CLK IN引脚加上电阻及电容。电路如图5。图4 51单片机图 图5 AD转换器图3、D

8、A转换器DA转换器选择DAC0832,它是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与MCS51单片机相连接。将CS、WR1、WR2和XFER引脚接地，ILE引脚接5V，Vref选择+5V， 8位数字信号输入端DI0DI7分别接单片机的P0.0P0.7引脚。此时DAC0832处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。考虑到DAC0832为电流输出型，故需要外接运算放大器，进行电流/电压转换，才能得到模拟输出电压，选择运算放大器为LM324。由于控制器的输出应该为双极性输出，故输出需要两个运算放大器，电路如图6。图6 DA转换器图此时DAC输出的电压值为：Uo=

9、（B-128）*Vref/128。若DI7为1，则Uo为正，否则Uo为负。2.2 总电路图图7 总电路图 3、控制器程序设计 3.1、程序流程图 图8 主程序 图9 定时器0中断服务程序图10 外部中断0程序3.2、源程序#include /12MHZ#define uchar unsigned char#define uint unsigned intucharflag=0; /ADC转换结束标志位ucharnum=0;uintui=0;uintuo=0; floatuk_1=0.0; /U(k-1)=0floatuk=0.0; /U(k)=0floatek_1=0.0; /e(k-1)=0

10、floatek=0.0; /e(k)=0sbitwr=P36;sbitrd=P37; void init() /初始化程序P0=0; /使DAC0832初始输出电压为0TMOD=0x01; /设置定时器0工作在定时方式1TH0=0xD8; /定时器赋初值，定时10msTL0=0xF0;ET0=1; /开定时器0中断IT0=1; /外部中断0下降沿触发EA=1; /开总中断TR0=1; /启动定时器0void main() /主程序 init(); /初始化while(1)if(flag=1) /若AD转换结束 ek=ui; /差分方程计算U（k）uk=0.1694*ek-0.1629*ek_1

11、+0.9935*uk_1; uo=(uint)uk;P0=uo; /DAC0832输出电压Uoek_1=ek;uk_1=uk;flag=0; /清零标志位void int0()interrupt 0 /外部中断0中断服务程序EX0=0; /关外部中断0TR0=1; /开定时器0rd=1; /读取ADC的数值rd=0;rd=1;ui=P1;flag=1; /置1标志位void timer0()interrupt 1 /采样周期10ms定时TR0=0; /关定时器0TH0=0xD8; /定时器重装初始值TL0=0xF0;num+; if(num=1) /若10ms时间到num=0; EX0=1;

12、/开启外部中断0wr=1; /开启DAC0832wr=0;elseTR0=1; /否则，继续定时五、设计工作总结及心得体会： 这次的课程设计让我获益匪浅，首先就是对各工具软件有了更新的认识，通过利用matlab进行系统特性的仿真，让我加深了对整个图像的绘制方法，在离散化的过程中，也发现了matlab的强大功能，这对以后的设计奠定了坚实的基础。与此同时，在设计电路图时，我查阅了很多相关资料，在查阅单片机C语言教程中我了解了A/D及D/A的性能指标意义由此选择了合适的芯片，接下来就是软件的编写了，在编写程序时候，我遇到了很多的问题，最初程序总是报错，改了还多次也未能成功，于是我将错误代码进行百度，在百度中查找问题，最终一一解决。从整体来看，这次课程设计让我在能力上得到了很大的提高，一开始接到题目的时候我一头雾水不知从何做起，后来我将问题一步步细化，通过在网上查阅大量的资料对本课题有了更深的认识才一步步地完成任务，在查阅资料的同时，我发现网上有很多资料并不完全正确，所以当我了解下一步该做什么的时候我就会查阅手中的工具书进行设计仿真。最后经过很多次的调试修改，完成了本次课程设计。在设计的过程中，我发现有时候书本上学会的东西并不一定会运用，所以我要在以后的学习和工作中更加注重学以致用，多运用所学的知识设计实物，我发现我还有很多的