滞后校正控制器设计

1、计算机控制课程设计报告 仅供个人学习参考，禁止转载！题目: 滞后校正控制器设计 姓名: 学号: 2016年6月12日计算机控制课程设计任务书学 号班 级学 生指导教师题 目滞后校正控制器设计设计时间2016年 6 月 5日 至 2016 年 6 月 12 日 共 1 周设计要求设计任务： 设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计滞后校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 速度误差系数； (2) 开环系统截止频率 rad/s； (3) 相位裕度 (4) 幅值裕度dB。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(

2、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：2016年 6 月 12 日一、 设计过程 解：（1）根据速度误差系数K30,求K。 KV=s G0（s）=K=30 （1）所以 （2） （2）画出控制对象的Bode图（3）计算剪切频率

3、，相角裕量。 11.45rad/s （3） 180°90°arctan（0.1）arctan(0.2) 25.3° （4）系统不稳定，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。40°6°46°，相角裕量为46°时对应为2.7rad/s,满足穿越频率大于2.3rad/s的要求。（5）被控对象bode图在=2.7rad/s处的增益为21dB,求出b. 20lgb21,b0.09 （5）（6）令,求出T。取 ，bT3.7s，T41.1s （6）（7）此时滞后控制器为 C（s） （7）校正后的开环传递函数 G

4、(s) C(s)·(s) · （8）（8）验证加控制器后的系统的性能指标。相角裕度41.3°40°，相位穿越180°时的频率6.8rad/s幅值裕量20lg | C(j)G(j) |10.5dB10dB,满足要求。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。Go=tf(30,0.02 0.3 1 0) %定义原函数Gc=tf(3.7 1,41.1 1) %定义校正函数G=Go*Gc Gcz=c2d(Gc,0.05) %离散化函数Goz=c2d(Go,0.05)Gz=Goz*Gczfigure(1)margin(Go) %画

5、被控函数波德图hold onmargin(G) %画被校正后函数波德图hold offfigure(2)sys1=feedback(G, 1); %加反馈step(sys1); %离散前单位阶跃响应hold onsys2=feedback(Gz, 1); step(sys2); %离散后单位阶跃响应hold off得到bode图如下：图1 校正前后bode图离散化前后GoGc的阶跃响应输出:图2 离散化前后的阶跃响应图二、控制器脉冲传递函数生成及其matlab仿真根据控制系统快速性与稳定性的要求，选择采样周期为0.05s，对控制器采用双线性变换离散后的脉冲传递函数为： （9）再由simulin

6、k仿真离散控制器：图3 仿真模型运行得单位阶跃输入下的输出为：图4 阶跃响应输出曲线单位斜坡输入下的输出响应：图5 单位斜坡响应输出曲线控制器差分方程设计 根据控制器脉冲传递函数，可得 u(k)= 0.9988u(k-1)+ 0.09000e(k)- 0.08881e(k-1) （10）三、控制器电路设计1、控制器控制器选择AT89C51单片机，晶振选择12MHZ。单片机外围电路如图1。图6 单片机最小系统电路图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

7、（）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2图7 ADC0804电路连接图3、DA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DAC083

8、2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8。此时DAC输出的电压值为：Uo=（B-128）*Vref/128。若DI7为1，则Uo为正，否则为负。图8 DAC0832电路连接图4、 总电路图图9 总电路图四、控制器程序设计1、程序流程图图10 主程序流程图图11 定时器0中断服务程序流程图图12 外部中断程序流程图2、源程序#include<reg51.h>

9、;/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)=0floatek=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=0x4B;

10、/定时器赋初值，定时50msTL0=0x00;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=0.09000*ek-0.08881*ek_1+0.9988*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

11、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50ms定时TR0=0; /关定时器0TH0=0x4B; /定时器重装初始值TL0=0x00;num+; if(num=1) /若50ms时间到num=0; EX0=1; /开启外部中断0wr=1; /开启DAC0832wr=0;wr=1; elseTR0=1;/否则，继续定时五、设计工作总结及心得体会： 对于滞后矫正器的课程设计，首先根据设计要求进行计算设计出滞后控制器，再通过MATLAB仿真进行离散化，然后利用simulink对系统进行仿真设计，最后进行了硬件的设计，对于此过程通过查阅资料，通过一些例子对A/D和D/A以及单片机电路做修改来实现此设计的硬件实现，然后程序设计根据也是通过作出修改来实现编程的实现。 通过本次课程设计让我对于自动控制原理以及计算机控制原理的知识有了进一步的认识，同时也了解到，课程设计这种将知识实践化的过程，将理论知识做到实际应用并不容易，同时通过此过程让我对以前使用过的软件如MATLAB更加熟悉，对以前没用过的软件如proteus、Visio软件等有了一些初步的了解，因为刚学完单片机所以本次课程设计对于51单片机的知识有了更深的认识，对于以后的学习和实践有一