微机控制课程设计样本Word文档格式.docx

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最少拍无波纹控制器的设计理论:

图1数字控制系统原理图

数字控制器模拟化设计方法是基于连续系统的设计,并在计算机上采用数字模拟方法来实现,选用的采样周期须足够小,且采样周期的变化对系统影响不大。

如图1的数字离散控制系统中,GC（S）为被控对象,其中H（S）=（1-e-TS）/S代表零阶保持器,D（Z）代表被设计的数字控制器,它是由单片机来实现的,D（Z）的输入输出均为离散信号。

上面图1示计算机控制系统框图中:

Gc（s）——被控对象的连续传递函数

D（z）——数字控制器的Z传递函数

H（s）——零阶保持器的传递函数,

T——采样周期

广义对象的脉冲传递函数为:

G（z）=Z

（1）

系统闭环脉冲传递函数为:

φ（z）==

（2）

系统误差脉冲传递函数为:

φe（z）==1-φ（z）=（3）

数字控制器脉冲传递函数:

D（z）==（4）

若已知Gc（s）,且可根据控制系统的性能指标要求构造Ф（z）,则根据

G（z）=Z=（1-z-1）Z和D（z）==

得数字控制器得离散化设计步骤:

1）求广义对象的Z传递函数G（z）;

2）根据控制系统的性能指标和其它约束条件,确定所需的闭环传递函数Ф（z）;

3）求数字控制器的Z传递函数D（z）;

4）根据D（z）求取控制算法的递推公式,设D（z）的一般形式

1、闭环Z传递函数Φ（z）的确定;

由图1:

误差E（z）的Z传递函数为:

φe（z）==1-φ（z）=

D（z）==

从上式看出,D（z）的求取主要取决于φ（z）,或者φe（z）,φ（z）的选择根据稳、准、快等指标设计。

下面分析系统闭环传递函数φ（z）的确定。

1、设计最少拍无纹波控制器的必要条件

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:

①对阶跃输入,当t≥NT时,有y（t）=常数;

②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,

③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。

2、最少拍无纹波系统确定Ф（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:

如果系统经过l个采样周期到达稳态,无纹波要求:

设广义对象

由

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G（z）的全部零点及滞后环节。

令

w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,…,bw为其所有零点。

由此可见,有纹波和无纹波设计唯一区别在于:

有纹波设计时,Ф（z）包含G（z）单位圆上和单位圆外的零点;

无波纹设计时,Ф（z）包含G（z）单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点。

3、最少拍无纹波控制器确定Ф（z）的步骤

确定Ф（z）必须满足下列条件:

①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;

②按选择Ф（z）

③按

和选择Фe（z）;

④F1（z）、F2（z）阶数的确定

1）、控制电路整体原理图如下所示

2）、各部分元件接口电路

（1）AD转换器

AD转换器选ADC0809。

ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入,内部具有锁存功能,故不需要加地址锁存器。

ALE引脚为地址锁存信号,高电平有效,三根地址线固定接地,由于地址信号已经固定,故将ALE接高电平。

系统只需要一路信号,选择IN-0通道作为输入。

START引脚为AD转换启动信号,高电平有效,程序控制。

AD采样值为系统的偏差信号,故选择ADC0809的为5V。

由于ADC0809的时钟所限,AD转换器的时钟信号,由单片机P2.1引脚产生,将CLOCK引脚接单片机的P2.1引脚。

由单片机产生500khz的时钟信号。

单片机晶振频率选择为12MHz。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时,表明转换结束;

否则,表明正在进行A/D转换。

设计将其接单片机P2.2引脚由程序读入,判断AD是否转换完成。

AD转换结果由P0口读入,故将AD转换器的输出与单片机P0口相连,高低位依次相连。

设计AD转换器的接口电路如图所示:

AD转换器接口电路

（2）DA转换器

DA转换器选择DAC0832。

DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,能够直接（与51单片机相连。

参考电压,直接与供电电源相连。

因为输出的C（t）可能有负的情况,故选择DAC为双极性电压输出。

DA输出值为:

DAC0832的引脚接法下:

CS:

片选端,直接接低电平

ILE:

数据锁存允许控制端,直接接高电平。

WR2:

DAC寄存器写选通控制端,直接接低。

XFER:

数据传送控制,低电平有效,直接接地。

WR1;

第一级输入寄存器写选通控制,低电平有效。

其输入为上升沿时,将输入数据锁存到DAC寄存器,将该引脚与单片机P2.3引脚相连,由程序控制DA转换的时间。

D10~D11:

与单片机P0口相连。

设计DA转换器的接口电路如图所示:

DA转换器接口电路

（3）单片机最小系统图如下所示:

4.控制算法设计

最小无波纹控制器设计

（1）控制对象的离散化:

带零阶保持器的广义被控对象为

则

（2）无波纹最小拍控制器D（z）

根据G（z）,对象有一个纯滞后因子v=1,一个零点b1=-0.568,两个极点,单位速度信号输入q=2,因此v=1,w=1,m=1,q=2,由于G（z）有一个不稳定的极点z=1,准确性条件中包含了稳定性条件,故可降一阶设计,则设系统闭环脉冲传递函数为,设系统误差传递函数为由,及,待定系数法得,,,则系统闭环脉冲传递函数为,系统误差传递函数为,由得设计的数字控制器为:

（3）、数字控制器差分方程

将得系统的差分方程为:

5.软件编程设计

根据D（z）的计算机控制递推算式,画出程序流程图,最后编写程序。

（1）最少拍无波纹数字控制器程序流程图图

（2）程序:

ORG0000H

AJMPMAIN1

ORG000BH

AJMPIT0S

ORG0013H;

INT1中断服务程序入口

AJMPPINT1

MAIN1:

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#01H

MOVTH0,#3CH

MOVTL0,#0B0H

MOVIE,#82H

MOVR7,#00H

SETBP1.0

SETBTR0

MOVR1,#70H;

置数据区首地址

SETBIT1;

INT1为边沿触发方式

SETBEA;

开中断

SETBEX1;

允许INT1中断

LOOP:

SJMPLOOP

IT0S:

INCR7

CJNER7,#0AH,NEXT

CLPP1.0

NEXT:

RETI

ORG2100H;

中断服务程序入口

PINT1:

PUSHPSW;

保护现场

PUSHACC

PUSHDPL

PUSHDPH

MOVDPTR,#7FF8H;

指向IN0通道

MOVXA,@DPTR;

启动A/D转换

MOV@R1,A;

采集第一个数

INCR1

MOVXA,@DPTR;

采集第二个数

MOV@R1,A

:

采集第三个数

POPDPH

POPDPL

POPACC

POPPSW

RETI

MOVR2,#70H;

滤波程序

MOVR3,#71H

MOVR4,#72H

MF3:

MOVA,R2;

R2,<

R3否?

CLRC

SUBBA,R3

JCMF1;

R2>

R3时,交换R2,R3

MOVA,R2

XCHA,R3

MOVR2,A

MF1:

MOVA,R3;

R3<

R4否?

SUBBA,R4

JCMF2

MOVA,R4

MOVR4,A

MOVA,R3

SUBBA,R2

JNCMF2

MOVR3,A;

中值在R3中

DATA

CONS0DB?

;

存放系数a0

CONS1DB?

存放系数a1

CONS2DB?

存放系数a2

CONS3DB?

存放系数a3

CONS4DB?

存放系数a4

GEC1DB?

存放给定值

GEC2DB?

存放输出反馈值

SUB1DB?

存放偏差值e（k）

SUB2DB?

存放偏差值e（k-1）

SUB3DB?

存放偏差值e（k-2）

MID1DB?

存放系数a2.e（k）

MID2DB