1、7串联校正综合法控制器设计资料计算机控制课程设计报告题目: 串联校正综合法控制器设计姓名: 学号: 2015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7、串联校正综合法控制器设计设计时间2015年 6 月 5 日 至 2015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数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：，。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绘制原理图；3. 编程实现单片机上
2、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：2015年 6 月 5 日一、设计目的采用串联校正综合法设计下列题目的控制器二、设计要求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如下指标：，。三、模拟设计法3.1综述串联校正综合法3.1.1系统的校正在给定系统性能要求的条件下，能满足性能指标
3、要求的设计校正装置的结构与参数，叫做系统的校正。系统校正设计的一般步骤：（1）确定性能指标性能指标是控制系统的设计依据，在提出性能指标时应从生产实际出发，既要考虑到任务的完成，又要顾及到实现的条件和经济性，切勿盲目追求高指标。性能指标的提法有多种，主要时域指标和频域指标。时域指标又分为稳态指标（稳态误差ess或误差系数kp、kv、ka等）和暂态指标（调节时间ts、超调量MP等）。频域特性只要有开环指标（剪切频率c、相位裕度、幅值裕度Kg等）和闭环指标（谐振峰值Mr、谐振频率r、闭环截止频率b等）。（2）初步设计自动控制系统一般有控制器及被控对象所组成，被控对象是指要求实现自动控制的机械设备或生
4、产过程，控制器是指对被控对象起控制作用的控制总体，包括信号的监测装置、信号及功率放大装置、执行机构等基本组成部分，在明确了被控对象控制并制定出合理性能指标及响应的限制条件，就可以着手系统的初步设计了。主要任务：1）画出系统原理框图 2）建立元器件及系统的数学模型 3）确定校正方案对于同一个性能指标，能够满足要求的校正方案不唯一，因此要对各种方案进行比较、论证，并不断修改、完善，最后确定一种较好的方案。（3）原理性试验和样机生产根据初步设计确定的方案，建立仿真模型或物理实验模型进行原理性试验，根据试验结果，对原方案进行修改或调整，使初步方案进一步完善。在原理性试验基础上，可进行样机生产，通过试验
5、调整可以惊醒实际运行和环境考验，根据运行结果，进一步进行改进设计，在完成达标设计指标和生产要求后，可将设计定型并交付生产。3.1.2串联校正综合法串联校正综合法又称期望特性法，顾名思义，它是将性能指标的要求转化为系统开环对数幅频特性，即期望特性，再与未校正的开环对数幅频特性进行比较，从而确定校正装置的结构和参数。由于这种方法只通过幅频特性表示，而不考虑相频特性，因此只是用与最小相位系统。串联综合校正法的一般步骤：（1）根据稳态性能指标，绘制开环增益调整后未校正的系统对数幅频特性 （1）（2）根据稳态与动态性能指标，绘制期望开环对数幅频特性 （2）1）期望特性的低频段可以与未校正部分L0（）低频
6、段重合。2）中频段要根据系统响应速度和阻尼的要求，通过选择c、h以及交接频率2、3来进行绘制，中频断斜率为-20dB/dec，以保证足够的相角裕度。3）为了简化设计，高频段可以和未校正系统高频段重合。此外，期望特性低、中频段之间的衔接频段，其斜率一般相差-20dB/dec；中、高频段之间的衔接频段，其斜率一般相差-40dB/dec。（3）由求得串联校正装置的对数幅频特性 （3）（4）对校正后的系统进行检验，并根据情况对期望特性的交接频率做必要的调整。3.2.具体步骤3.2.1.未校正系统（1）伯德图：由，得出K0=70。图1 未校正系统Bode图(2）Matlab语言：num=70;%传递函数
7、分子den=conv(conv(1 0,0.12 1),0.02 1);%传递函数分母w=logspace(-1,2);%在10的-1次幂和10的2次幂之间产生一个有五十个点组成的向量mag,pha=bode(num,den,w);%调用函数bode（）绘制给定线性系统bode图magdB=20*log10(mag);%将得出的幅值mag变成分贝的形式，另pha为相角subplot(211),semilogx(w,magdB)%大图含有两行一列共两个子图，正在绘制第一个子图，使用半对数坐标图命令绘制系统的bode图的幅频特性grid on%在图上添加坐标轴网络title(Bode Diagra
8、m of G(s)=70/s(0.12s+1)(0.02s+1)%bode图的标题xlabel(Frequency(rad/sec)%横坐标ylabel(Gain dB)%纵坐标subplot(212),semilogx(w,pha)%大图含有两行一列共两个子图，正在绘制第二个子图，用半对数坐标图命令绘制系统的bode图的相频特性grid on%在图上添加坐标轴网络xlabel(Frequency(rad/sec)%横坐标ylabel(phase deg)%纵坐标（3）simulink仿真图2 未校正系统的simulink仿真图图3 未校正系统的单位阶跃响应（4）总结由未校正系统的单位阶跃响应
9、可得该系统是不稳定的，需要对其进行校正。由于系统是最小相位系统，我们可采用串联校正的综合法对其进行校正将系统的性能指标转化为系统开环对数幅频特性即期望特性。3.2.2.期望特性低频段与未校正部分重合，中频段在绘制之前首先将MP、ts用公式 (4) (5) (6)求出Mr=1.6，c=12rad/s。根据公式 (7) (8)得到2=4.46rad/s，3=19.3rad/s。在c=12rad/s处，做-20dB/dec斜率直线，交与=48rad/s处。取2=4rad/s，3=48ran/s，此时。由粗略估算得。过2做横轴垂线，与中频段-20db/dec直线交点处，做-40dB/dec直线，该直线
10、与期望特性低频段交于1=0.68rad/dec处，至此中频段衔接段完成。中、高频衔接段，在3=48rad/s处作横轴垂线与-20dB/dec中频段直线交点处作斜率-40dB/dec直线，交未校正系统高频段于4=50rad/s处；当4时，期望特性与未校正系统的高频特性一致。至此，期望特性全部参数已经得出。3.2.3.串联校正装置将期望特性与未校正特性相减，求得串联校正装置特性，其传递函数为 （9）3.2.4.检验满足性能指标要求。3.2.5.校正后系统（1）伯德图图4 未校正和校正后系统的Bode图图中，黑色实线是未校正的伯德图，红色虚线是校正后的伯德图。（2）Matlab语言：num1=70;
11、%未校正分子num2=70*conv(0.25 1,0.12 1)%校正后分子den1=conv(conv(1 0,0.12 1),0.02 1);%未校正分母den2=conv(conv(conv(conv(1 0,0.12 1),0.02 1),1.47 1),0.021 1);%校正后分母G1=tf(num1,den1);%未校正传递函数G2=tf(num2,den2);%校正后传递函数bode(G1,G2)%未校正和矫正后量传递函数画在一张图上（3）simulink仿真图5 校正后的simulink仿真图6 校正后的单位阶跃响应四串联校正综合法设计后的模拟控制器的离散化（1）图7 离散
12、前后控制器Bode图（2）利用串联校正法校正后的模拟控制器进行按零极点匹配的方法进行离散化，采样时间选为50ms。图8 离散后单位阶跃响应（3）Matlab语言：num1=conv(0.25 1,0.12 1);%校正装置分子den1=conv(1.47 1,0.021 1);%校正装置分母Gc=tf(num1,den1);%校正装置传递函数num2=70;%未校正分子den2=conv(conv(1 0,0.12 1),0.02 1);%未校正分母Go=tf(num2,den2);%未校正传递函数Gs=Go*Gc;%期望特性传递函数ts=0.01%采样时间Goz=c2d(Go,ts,matc
13、hed)Gcz=c2d(Gc,ts,matched)Gz=c2d(Gs,ts,matched)%用零极点变换法离散Gz1=feedback(Gz,1);%单位负反馈step(Gz1);%离散后的阶跃响应bode(Gc,Gcz)（4）simulink仿真：图9 离散后simulink仿真图10 离散后控制器输出图11 离散后系统单位阶跃响应（5）校正装置差分方程设计 （10）将其拆分为 （11） （12）化差分方程为 （13） （14）五、控制器的硬件电路设计5.1控制器控制器选择MCS80C51单片机，外部时钟晶振选择12MHz图12 AT89C51引脚：（1）XTAL1、XTAL2：时钟引脚
14、，如下图连接，其中电容为30pF，作用是容易启震和减小频率的温漂，晶振为12MHz。图13 时钟电路（2）RST：复位信号输入段，高电平有效，在此引脚上加持续大于两个机械周期高电平，就可使单片机复位。图14 复位电路（3）ALE：一直有频率为时钟振荡器频率1/6的正脉冲信号输出，在AD转换中用到。（4）P0口、P1口、P2口、P3口：并行I/O口5.2AD转换选择8位精度的AD转换器AD0809。AD0809是一种逐次比较式8路模拟输入和8位数字量输出的A/D转换器， 转换时间为100s左右（时钟为640KHz）或130s左右（时钟为500KHz），由单一的+5V电源供电，它可对05V的模拟信
15、号进行转换。图15 ADC0809引脚:（1）IN0IN7 ：是8路模拟信号输入端，由ADD A、ADD B、ADD C控制（2）DB0DB7：是8位数字量输出端（3）OE：输出允许端（4）START：启动信号输入端（5）CLK：为时钟信号输入端。ADC0809片内无时钟，有AT89C51的ALE引脚经D触发器二分频后获得。图16 D触发器图中引脚5接ADC0809的CLK引脚工作过程：给AD0809的START引脚送入脉冲则开始对选中通道进行转换。当转换结束后，AD0809发出结束EOC高电平信号，该信号可以供单片机查询或者作为向单片机发出的中断请求信号。图17 ADC0809电路5.4DA
16、转换DA选择DAC0832，它的分辨率为8位，是电流输出型的，稳定时间为1 s，DAC0832可以双缓冲输入单缓冲输入或直接数字输入，单一电源供电（+5+15V），低功耗（20mw）。图18 DAC0832引脚：（1）DI0DI7：是8位数字量输入端（2）CS*：片选段，低电平有效（3）ILE：数据锁存允许段，高电平有效（4）WR1*、WR2*：输入寄存器写选通控制，低电平有效（5）XFER*：数据传送控制，低电平有效（6）IOUT1：D/A转换器电流输出1端，数字量全为1时最大，全为0时最小。（7）IOUT2：D/A转换器电流输出2端（8）Rfb：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻，根据需
17、要也可外接电阻。DAC0832处于直通工作方式，数字量一旦输入直接进入DAC寄存器进行转换，DAC的输出电压为： （15）图19 DAC0832电路5.5总结图20 总电路注：8位数字信号输入端D10D17分别接单片机的P0.0P0.7引脚，由于是P0口输出给DA所以需要在P0口上加上拉电阻以防止输出呈高阻态。六、程序设计6.1.流程图图21 主程序流程图图22 中断程序流程图6.2.程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ST=P12;sbit EOC=P10;sbit EN=P11;float u
18、k1=0.0; /控制端口初始化float uk=0.0;float u1k=0.0; float u1k1=0.0;float ek=0.0;float ek1=0.0;void timer_isr(void) interrupt 1 TR1=0; /对定时器进行初始化 TH1=0xfc; TL1=0x18; TR1=1; ST=0; /启动AD转换器 ST=1; ST=0; while(EOC=0); /等待AD转换完成 if(EOC=1) EOC=0; EN=1; /AD转换完成则输出数据线有效 ek=P2; /读取AD数据 EN=0; u1k=0.9932*u1k1+0.8193*ek
19、-0.7172*ek1; /转换公式 uk=0.6211*uk1+u1k-0.92*u1k1; if(uk0) /当前输出值大于0 if(uk127) uk=127; /判断是否溢出，溢出取极值 P0=(uchar)(uk)+128; /控制器输出值 else /当前输出值小于0 if(uk-128) uk=-128; /判断是否溢出，溢出取极值 P0=(uchar)(uk)+128; /控制器输出值 uk1=uk; u1k1=u1k; ek1=ek; void main() ST=0; EN=0; TMOD=0x10; /对定时器1进行初始化 TH1=0xfc; TL1=0x18; EA=1
20、; ET1=1; TR1=1; /开启定时器1 while(1); /等待定时器由于选择的采样周期为10ms所以要考虑在采样周期时间内是否能完成AD和DA转换及单片机的计算。经过把单片机c语言程序反汇编可知其计算所需的时间大概为7ms 而AD和DA转换时间大约均为130s所以总共时间在8ms左右可以在采样周期内完成。七、设计心得经过为期一周的计算机控制课程设计，使我对我所学习的专业有了更深刻的认识。我们学习的这几年，学习了不下10门的专业课，期末考试的合格了，但是我们到底有没有掌握这些知识，连我们自己都不清楚。这次的课设给了我当头一棒，让我知道自己的所学习的知识并没有多么扎实，而且只会死记硬背
21、，应对考试，而不能活学活用。我的课设是上学期学的自动控制原理这门课所学的一道题，但是刚刚看到这道题时，我却发现具体的计算方法我已然记不太清了。当时考试时我只是把解题步骤背了下来，并没有进行深刻了解和领悟，这使我在做课设时还要在我本应会的知识上浪费时间。这次课设，不仅仅包含了计算机控制，还有单片机的知识，并且单片机的硬件部分是我们课上没有讲过的，需要我们自学。我通过翻阅书籍，上网查找，询问同学等各种渠道终于将硬件部分弄好。这提高了我的自学能力，也是我理解了学无止境的道理。在课设的这七天时间里，我学会了一部分用Matlab语言计算复杂的Z变换，绘画Bode图，用visio绘画流程图，操作WORD也更加熟练，还接触到了Proteus和Keil uVision3,因时间有限的原因，只了解了它们的部分功能，但我已然对它们产生了兴趣，我决定在空闲时间多多学习，为我将来的毕业设计做准备。当然由于水平有限经验不足我的设计还存在着许许多多不足，有待于在我将来的学习中修改。我希望以后多做几次这样的实际设计提高自身的不足使自己能够掌握更多的知识。八、参考文献1 张晋格 自动控制原理（第2版） 哈尔滨工业大学出版社2 刘建昌 计算机控制系统 科学出版社3 张毅刚 单片机原理及应用（第二版） 高等教育出版社
