二阶环节电压跟踪控制系统的设计.docx
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二阶环节电压跟踪控制系统的设计.docx
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二阶环节电压跟踪控制系统的设计
二阶环节电压跟踪控制系统的设计
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专业:
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班级:
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组员:
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组员:
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组员:
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指导老师:
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----------`
重庆大学本科生《计算机控制技术基础》课程设计任务书
1#
课程设计题目
二阶环节电压跟踪控制系统的设计(采用PD—32E实验装置)
学院
自动化学院
专业
自动化专业
年级
2010
(1)已知参数和设计要求
1)按下图搭建一个二阶环节。
2)设计一个控制器输出作用于电路输入IN使得电路输出端能够跟踪0—5V范围内的任意阶跃信号。
并能通过示波器显示输出信号曲线。
3)设计人机交互接口,包括键盘、显示器能通过人机交互接口设置信号参数。
4)控制精度≤±5%,调节时间≤5秒。
(2)实现方法
采用PD—32E实验装置实现(限≤5人选做)
学生应完成的工作:
1)硬件设计:
要求完成控制系统框图;绘制完整的控制系统电原理图;说明各功能模块的具体功能和参数;按提供的二阶环节电路,写出它的传递函数;结合实验室现有的PD32—32E实验装置进行系统组成,对整个系统的工作原理进行全面分析,论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。
分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。
2)软件设计:
要求合理分配系统资源,完成二阶环节电压跟踪控制系统的程序设计(如:
系统初始化;主程序;A/D转换;D/A转换;标度变换;显示与键盘管理;控制算法;输出等)。
3)对设计控制系统进行系统联调。
4)编写课程设计报告:
按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容(包括设计总体思路、设计步骤、原理分析和相关知识的引用等)、总结、各组员心得体会、参考书及附录(包括系统框图、程序流程图、电原理图和程序原代码)】进行编写,字数要求不少于4000字,要求设计报告论理正确,逻辑性强,文理通顺,层次分明,表达确切。
目前资料收集情况(含指定参考资料):
《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社
《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社
《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社
《微型计算机控制技术》黄勤等编著机械工业出版社
课程设计的工作计划:
(1)2013年9月11日熟悉设计任务和要求。
(2)2013年9月12日确定设计方案。
(3)2013年9月14日硬件调试。
(4)2013年9月18日软件及系统调试。
(5)2013年9月22日设计答辩。
任务下达日期2013年9月11日
完成日期2013年9月22日
指导教师(签名)
学生(签名)
目录
1前言1
2设计基本要求2
2.1已知参数和设计要求2
2.2实现方法2
3系统的总体设计2
3.1硬件设计3
3.2软件设计4
3.3参数整定7
4成员分工8
5调试结果8
6心得体会8
6.1----------8
6.2----------体会9
6.3----------得体会:
10
参考文献11
附录12
1前言
基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理,就是根据系统输出变化的信息来进行控制,即通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差,并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中,既存在由输入到输出的信号前向通道,也包含从输出端到输入端的信号反馈通路,两者组成一个闭合的回路。
因此,反馈控制系统又称为闭环控制系统。
反馈控制是自动控制的主要形式。
自动控制系统多数是反馈控制系统。
在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统成为伺服系统或随动系统。
和开环系统相比,闭环控制具有一系列优点。
在反馈控制系统中,不管出于什么原因(外部扰动或系统内部变化),只要被控量偏离规定值,就会产生相应的控制作用去消除偏差。
因此,它具有一直干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性。
单反馈回路的引入了系统的复杂性,而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。
为提高控制精度,在扰动变量可以测量时,也常同时采用按扰动的控制(即前馈控制)作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
A/D转换原理:
逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快,转换精度较高的转换器.它们被广泛地应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。
它是用一系列的基准电压同要转换的电压进行比较,逐位确定转换成的各位数是1还是0,确定次序是从高位到低位进行。
AD574芯片使用要点:
AD574利用不同的控制信号,既可实现高精度的12位转换,又可作快速的8位转换。
12位转换后的数据有两种读出方式:
12位一次读出;高8位、低4位分两次读出。
ADC数据输出带有三态缓冲,可直接与8位或16位的微处理器接口。
内部采用快速逐次逼近式A/D转换,转换时间为25us。
AD574有单极性输入和双极性两种模拟输入可供选择使用,在实际应用时,应根据模拟输入信号的性质加以选定,在PD-32实验装置已固定为双极性输入。
状态输出信号STS,转换时为高电平,转换结束时为低电平,如果AD574用于微处理器系统,STS信号可做为CPU的中断请求信号。
2设计基本要求
2.1已知参数和设计要求
(1)按下图搭建一个二阶环节
图1二阶环节电路图
(2)设计一个控制器输出作用于电路输入IN使得电路输出端能够跟踪0——5V范围内的任意阶跃信号。
并能通过CRT显示器画出输出信号曲线。
(3)设计人机交互接口,包括键盘、显示器能通过人机交互接口设置信号参数。
(4)控制精度≤±5%,调节时间≤5秒。
2.2实现方法
采用PD-32E实验装置实现。
3系统的总体设计
本次设计的总体思路如下:
输入设定值X,系统采集电路板的输出电压值Y,经A/D转换成数字信号进入计算机,经过数字滤波、标度变换等过程,在屏幕上显示出来,并且将其与设定值X想比较,所得到的差值作用于控制回路,调整系统电压值,最终达到稳定输出。
最后经过参数整定达到本次课程设计的要求。
根据电路图课计算出系统的传递函数为:
控制系统结构框图如下:
图2控制系统的结构结构框图
3.1硬件设计
本次二阶环节电压跟踪控制系统硬件组成主要有模拟输出通道、模拟输入通道和跟踪对象等组成。
其工作过程如下:
跟踪对象——即电压,经模拟输入通道转换成数字信号进入计算机,计算机将该信号与给定值比较,得到偏差信号,控制算法程序对偏差信号进行决策和计算,并将计算结果通过模拟输出通道转换成模拟量,加载到跟踪对象,使跟踪对象输出值与给定值的偏差最小。
硬件电路就是选取合适的电子器件、芯片或设备,设计这样一个二阶环节,使得系统能够按要求完成上述工作过程。
硬件连接:
0832:
IOW-WR2;XFER-CS;CS-CS3(340H);OUT-V2_IN;
AD574:
CS-CS7(3C0H);12/8非-5V;A0-GND
10VIN-V2_OUT(PT100);
8255:
C口(PC3-PC0)-键盘(P3-P0);B口(PB7-PB0)-LED段选(dp-a);A口(PA7-PA4)-LED位选(DS4-DS1);
(PA3-PA0)-(Q3-Q0);CS-CS1(300H);
3.2软件设计
软件设计除了达到数据采集系统的要求外,还必须有控制算法程序和更强的数据处理能力。
一个控制系统的控制过程可以归纳为以下3个步骤:
实时数据采集:
即对电压的瞬时值进行测量;
实时决策:
对表征电压参数状态的测量值进行分析,并按已定的控制规律作出相应的的控制决策;
实时控制:
根据决策,实时的对控制机构发出控制信号。
本次软件设计流程图如下所示:
图3主程序流程图
该程序由初始化程序、A/D转换、D/A转换、数字滤波、标度变换、读键、设定电压、设定电压显示、LED显示、PID控制等子程序组成。
各子程序功能如下:
(1)数据采集连续采集16个数据,每采集一个数据,调用一次AD采样程序。
(2)均值滤波具体方法是对16个数据取平均值。
(3)标度变换将数字滤波后的采样值X变换成实际输入相对应的模拟电压毫伏值Y,然后存放在数据缓冲区。
(4)控制决策根据控制标志位,判断是否调用控制算法子程序,该程序根据设定值和采样值计算出误差值,根据误差的大小确定是否采用微分计算,同时将误差值进行比例运算,计算出本次运算的结果,存放在输出缓冲区。
(5)D/A输出D/A转换程序,是将当前输出缓冲区数据进行D/A转换。
(6)LED显示利用LED显示设定值和输出值等相关信息由于数据缓冲区的存放格式是二进制数,而送屏幕显示的必须是ASCⅡ码,所以预处理子程序有完成二进制转换BCD码,再转换成ASCⅡ码的程序语句,结果存放在显示缓冲区的相应的地址单元中。
(7)按键检测和读取当一个数据从采集到处理,最后送屏幕显示完毕后,进行适当延时,检查是否有键按下,如有键按下,读取键值,执行相应的操作;若没有键按下,继续检测。
以下为部分子程序流程图:
(1)D/A转换子程序
(2)均值滤波子程序
(3)标度变换子程序
(4)PID控制子程序
3.3参数整定
试凑法是通过仿真或实际运行,观察系统对典型输入作用的响应曲线,然后根据各控制参数对系统的影响,反复调节试凑,直到达到满意的响应从而确定PID个参数。
增大比例系数Kp可以加快系统的响应,减小静差;但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变差。
增大积分时间常数Ti有利于减小超调,减小振荡,使系统稳定,但系统静差的消除将随之减慢。
增大微分时间常数Td,有利于加快系统响应,减小超调,增强稳定性,但系统对扰动的抑制能力将减弱。
4成员分工
陈冶
设定电压、设定电压显示程序、报告撰写
谢海龙
8255初始化、A/D、D/A转换程序、报告撰写
徐拓燃
均值滤波、标度变换、读取按键程序、报告撰写
5调试结果
输入电压
输出电压
误差
1.236V
1.226V
0.8%
3.475V
3.462V
0.3%
4.378V
4.364V
0.3%
6心得体会
6.1----------:
在本次计算机控制课程设计中,我主要负责均值滤波、标度变换和读取按键三个子程序,对于均值滤波和标度变换子程序,我并不是很会,所以我在网上找了很多的资料,最后还是在上学期的计算机控制技术实验课上老师给的PPT上找到了与我们题目相对应的程序,只是到现在还是有些似懂非懂。
(1)均值滤波就是将多个A/D转换结果进行平均取值。
(2)标度变换将数字滤波后的采样值X变换成与实际实际输入对应的模拟电压值Y,对于12位A/D转换器,A/D转换结果数据范围为0—4095,实际加载在A/D转换器输入端的电压范围为-5.000---+5.000,标度变换就是将0—4095变换成-5000--+5000mv。
(3)按键读取该程序其实并不难,通过该程序的编写,使我更加熟悉了4*4按键的一些特点和使用方法。
在这次课程设计的过程中,我们组中的组长因为参加了其他的项目,所以他可以不用参加我们的这次课程设计,一开始,他说让我们自己做,但是经过了几天,我们几乎都没有什么进度,后来在我们的请求下,他同意帮助我们,然后他给我们分配了各自的任务,最后终于在我们的共同努力下,虽然没有达到最好的要求,但是我觉得还是可以的。
在最后的报告撰写中,我们共同努力克服困难,终于完成。
经过这次的课程设计,我发现一个团队中的领导人真的有着很大的作用,一个领导者决定着整个团队的成绩。
6.2----------:
开学的第二周,我们接到了计算控制技术的课程设计任务,在经过简单的抽签分组后,确定了我们组的组长组员以及课程设计题目。
我们组的题目是二阶环节电压跟踪控制系统的设计。
拿到任务书后,我们组组长和组员都对这次课程设计很重视,大家都明白这是我们对自己学习的一种检测,也是一次巩固的机会,同样也是一次理论结合实践的机会。
第一天,我们拿到题目后,就各自查资料,理解题意,最后再汇合大家的思想,讨论中我们的意见有些冲突,期间难免有些争执,但我们各自呈现彼此的理由,最终得出整体流程图,得出了最后的结果。
在这之后,我们又确定了各自的分工,把每个人负责的模块进行了详细的分工,以确保我们组可以顺利的完成这次课程设计。
讨论完之后,确定了我的任务是负责8255初始化A/D、D/A转换。
拿到任务之后。
我便着手开始了程序的编写,由于很久没看书了,所以在开始着手做的时候,难免遇到很多困难,我不得不又回头把遗忘了的知识温习了一遍,有很多知识点都忘记了,幸好我们组的组员都很优秀,在我遇到不懂时,我也会求助他们,他们会很虚心的给我讲解,如果他们不知道的,大家就会一起翻书或者查阅其他资料。
在经过了自己和组员们的一起努力后,我终于完成了我负责部分的程序的编写,经过这一次课程设计我深深的理解到了一只筷子容易被折断,而一把筷子不易被折断的道理。
完成了程序的编写之后,接下来便是程序的运行调试,中间多少遇到了一些问题,但是在我们共同的努力下都一个个完美的解决了,看着大家编写的程序把任务书上的功能以及我们自己附加的功能一一完成,一股莫名的成就感油然而生,同时也让我感受到了自己所学知识的用武之地。
经过此次的课程设计,我不但巩固了自己所学的知识,也学会了一些课外的知识,同时还体会到了团队合作的重要性,也加深了组员之间的相互了解。
总的来说,这是一件一举多得的事,对我下学期的毕业设计也会有一定的帮助。
在未来的工作中,我也必须不断的努力学习,才能把自己的事做的更好。
6.3----------:
计算机硬件基础的课程设计才刚刚结束,微型计算机控制技术的课程设计又接踵而至了,我们组负责的是二阶环节电压跟踪控制系统,刚拿到题目时,完全没有搞清楚怎么做,做什么。
后来在网上想找相关的资料,结果发现全是用单片机实现功能的,连想参考的东西都没有,对于我们三个编程能力不怎么行的人完全是一个大难题啊。
无奈只能找学霸帮助才能完成我们的工作。
这次的课程设计比上一周的时间整整短了一倍,所以工作显得比以前更加艰巨了,而且中间又是三天的中秋节,所以工作量完全压在了前三天还有最后一天,不过迫于无奈我们还是在中秋后面的两天假期在已经开放的实验室里继续我们的工作。
由于之前都是有参考的资料,这次几乎完全没有,就算有学霸我们的工作起初还是没有什么进展。
学霸也要花大量的时间才搞清楚思路,首先我们的程序设计中包括了A/D转换、标度转换、D/A转换、PID控制算法等部分,很重要的一部分就是PID的控制部分,之前对PID控制学的就不太好,所以我就负责了电压输入程序还有显示电压的程序,以及完成实验报告,了解硬件连接的部分,工作相对比较简单,毕竟能力就摆在那。
流程图的部分还是我的弱项,我觉得是对整体的逻辑认识不足造成的,这次的课程设计收到了外部的大量帮助才得以完成,主要还是自己的能力不足啊。
通过实践,提高了我的实际操作能力,从以前所学理论上升到实践,真正做到了学有所用,同时也认识到了自己的不足之处,对键盘、芯片工作方式等都不是很熟悉,但是自己受益匪浅。
课程设计可以体现出团队合作程度,紧密合作加上明确分工,,能够大大地提高设计速度,在动手设计之前,最好将设计所需要的数据,程序准备好,为了判断设计结果是否正确,有必要在准备阶段计算理论值。
仔细分析指令的每一位,以及理清思路,在设计时做到胸有成竹。
参考文献
【1】《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社
【2】《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社
【3】《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社
【4】《微型计算机控制技术》黄勤等编著机械工业出版社
附录
;=================================================
;计算机控制课程设计
;二阶环节电压跟踪控制系统
;=================================================
.486
PAEQU300H;8255A口
PBEQU304H;8255B口
PCEQU308H;8255C口
CTR5EQU30CH;8255控制口
DATASEGMENTAT0USE16
ORG2000H
ADDATADW?
;一次AD转换的值
SUM_ADDATADW?
;16次累加和
AD_RESULTDW?
;均值滤波后的AD值
BDBH_RESULTDW?
;标度变换后的值
DATAENDS
CODESEGMENTUSE16
ASSUMECS:
CODE,DS:
DATA
ORG3000H
BEG:
JMPSTART
TABDB0c0H,0f9H,0a4H,0b0H,99H,92H,82H,0f8H;三色LED字形码
DB80H,90H,88H,83H,0c6H,0a1H,86H,8eH
DISP_CODE_BUFDB?
?
?
?
?
?
0FFH,0FFH;显示缓冲区
DS_TABDB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH
DB39H,5EH,79H,71H;单色LED字形码
KEYDB16;按键缓存
QIANDW0
BAIDW0
SHIDW0
FUTEDW5000;设定值
K_SETDW4
ERRORDW0
O_SETDW8000H
DA_SHURUDB80H
P_ERRORDW0
D_ERRORDW0
SUM_ERRORDW0
START:
MOVAX,DATA
MOVDS,AX
LEASI,DISP_CODE_BUF
MOVAX,0FFFFH
MOV[SI+6],AX
CALLCHUSHIHUA
AGAIN:
CALLJUNZHILVBO
CALLPID_CONTROL
CALLDA
CALLBDBH
CALLPRE_DISP
CALLDISP
CALLSETVOL
CALLDISPLAYVOL
JMPAGAIN
;==================================================
;初始化8255
;==================================================
CHUSHIHUAPROCNEAR
PUSHA
MOVDX,CTR5;8255初始化
MOVAL,89H
OUTDX,AL
MOVDX,PB
MOVAL,0FFH
OUTDX,AL
POPA
RET
CHUSHIHUAENDP
;===================================================
;D/A转换子程序
;===================================================
DAPROCNEAR
PUSHA
MOVAL,DA_SHURU
MOVDX,340H
OUTDX,AL
POPA
RET
DAENDP
;===================================================
;A/D转换子程序
;===================================================
AD_ZHUANHUANPROCNEAR
PUSHA
MOVDX,3C0h;A/D地址
MOVAL,0;虚写,启动12位A/D转换
OUTDX,AL
MOVCX,20h
LOOP$;延时等待A/D转换完成
INAX,DX;一次性读取12位转换结果
ANDAX,0FFFH;屏蔽掉高4位
MOVADDATA,AX;保存结果
POPA
RET
AD_ZHUANHUANENDP
;========================================================
;PID控制
;========================================================
PID_CONTROLPROCNEAR
PUSHA
MOVAX,FUTE;设定电压值
MOVDX,BDBH_RESULT;标度变换后值
MOVCX,O_SET;置零8000H
SUBAX,DX
MOVP_ERROR,AX;当前误差
SUBAX,ERROR;当前误差减去上次的误差
MOVBX,2;微分系数
IMULBX
MOVD_ERROR,AX
MOVAX,P_ERROR
MOVERROR,AX;将此次误差存入'上次误差'
MOVK_SET,1;比例系数
MOVBX,K_SET
IMULBX
ADDAX,D_ERROR
ADDAX,CX
MOVDA_SHURU,AH
POPA
RET
PID_CONTROLENDP
;====================================================
;均值滤波
;====================================================
JUNZHILVBOPROCNEAR
PUSHA
MOVADDATA,0
MOVSUM_ADDATA,0
MOVCX,16;取16次转换结果来累加
AD:
CALLAD_ZHUANHUAN
MOVAX,SUM_ADDATA
ADDAX,ADDATA
MOVSUM_ADDATA,AX;累加
LOOPAD
SHRSUM_ADDATA,4;除以16
MOVAX,SUM_ADDATA
MOVAD_RESULT,AX
POPA
RET
JUNZHILVBOENDP
;====================================================
;标度变换
;====================================================
BDBHPROCNEAR
PUSHA
MOVAX,AD_RESULT
MOVCX,2442;
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- 关 键 词:
- 环节 电压 跟踪 控制系统 设计