Smith预估器控制设计.docx
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Smith预估器控制设计.docx
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Smith预估器控制设计
《计算机控制》课程设计报告
题目:
Smith预估器控制设计
姓名:
学号:
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学号:
姓名:
学号:
2010年12月3日
《计算机控制》课程设计任务书
专业
班级
学生
指导教师
题目
Smith预估器控制设计
设计时间
2010年11月27日至2009年12月03日共1周
设计要求
设计任务:
被控对象为
,画出系统框图,设计Smith数字预估器。
方案设计:
1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析、设计仿真;
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.编程实现单片机上的控制算法。
报告内容:
1.控制系统仿真和设计步骤,应包含Matlab仿真的性能曲线、采样周期T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:
2010年7月5日
Smith预估器控制设计
一.实验目的
通过混合仿真实验,学习并掌握用于具有纯滞后系统的纯滞后补偿(Smith预估控制)的设计及其实现。
二.实验内容
被控对象为
,画出系统框图,设计Smith数字预估器。
三.控制系统仿真
1.方案设计
已知纯滞后负反馈控制系统,其中
其中D(s)为调节器传递函数,
为对象传递函数,其中G0(s)e-0.1s包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。
系统的特征方程为:
由于闭环特征方程中含有
项,产生纯滞后现象,有超调或震荡,使系统的稳定性降低,甚至使系统不稳定。
为了改善系统特性,引入Smith预估器,使得闭环系统的特征方程中不含有
项。
Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为:
上图所示
为零阶保持器,传递函数:
并且有:
(
为大于1的整数,T为采样周期)。
2.采样周期T的选择
采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。
从信号保真度看,采样周期不宜太长,即采样频率不应该过低。
Shannon采样定理给出了下限角频率ωs≧2ωmax,ωmax为原信号的最高频率;采样周期应尽可能的短,以使采样后的离散信号可以近似于连续信号,数字控制具有接近于连续控制系统的质量。
但采样频率过高,将使得数据存数容量加大,计算工作量加大,并且采样频率高到一定程度,对系统性能的改善效果并不显著。
所以,我们要找到一个最佳的采样周期。
纯滞后较大不可忽略时,可选择T在
附近,当纯滞后占主导地位时,可选择T约为τ,再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式,预选了
=2,3,5,10。
但是在matlab仿真时,
=2,3系统发散,所以还剩下
=5,10。
考虑到采样频率过高,将使得数据存储容量加大,计算工作量加大,所以选择
=5。
则由公式τ=
T得:
。
3.负反馈调节器D(z)的确定
D(z)为负反馈调节器,通常使用PID控制规律。
扩充响应曲线法是用于有纯滞后的一阶对象,因此依据课本中表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式,而且前面已确定采样周期T与纯滞后时间常数τ的比值
=5,因此选定的PID参数为:
,
,为PI控制规律。
其中
为被控对象时间常数,即
=1,τ=0.1,
=10
所以有:
=7.3
=0.36
则控制器传递函数:
将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到:
4.Smith补偿器Dτ(z)的确定
令
;
则
差分方程为:
由此可得到:
可以看出,Smith补偿器的差分方程有
项,即存在滞后5拍的信号,因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。
纯滞后信号可以用存储单元法近似产生。
5.采用Matlab系统仿真
本系统采用PI控制算法,用matlab下的Simulink工具箱搭建闭环系统结构,加以1v的阶跃信号,PI控制器系数
,
=0.36,取反馈系数为1,使用Smith预估补偿器的仿真结构和输出曲线分别入图所示:
系统框图为:
四、电路设计及元件选型
控制器部分需要AD转换器,DA转换器,反相器,运算放大器,单片机。
1、AD转换器
AD转换器选择ADC0809,ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入,8路数字输出的A/D转换器。
AD转换器的电路设计:
(1)由于只需要一路信号,只选择IN-0输入,三根地址线固定接地,选择IN-0通道。
(2)单片机的ALE经过二分频后与ADC0809的时钟端相连。
(3)START脚为AD转换启动信号,高电平有效,由程序控制,故与单片机的P2.0脚通过非门相连。
(4)AD采样值为系统的偏差信号,有正负两种情况,故选择ADC0809的参考电压为正负5V。
(5)AD转换结束后,EOC脚输出高电平,此时单片机接收EOC信号,读取AD转换的结果,将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。
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
经以上分析,设计AD转换器的接口电路如图所示
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,它能直接与51单片机相连,其主要特性为:
a)分辨率为8位
b)电流输出,稳定时间为1s
c)可双缓冲输入,单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电
DA转换器的电路设计:
(1)参考电压选择+5V,直接与供电电源相连。
(2)选择DAC为单缓冲方式,即输入寄存器工作于受控状态,DAC寄存器处于直通状态,由DAC0832的引脚特性,将DAC0832的引脚接发如下:
CS:
片选端,低电平有效,直接接低电平
ILE:
数据锁存允许控制端,高电平有效,直接接高电平。
WR2:
DAC寄存器写选通控制端,低电平有效,由于其处于直通状态,故直接接低。
XFER:
数据传送控制,低电平有效,故直接接地。
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,故将该脚与单片机P2.2口相连,由程序控制DA转换的时间。
(3)DA的八路输入,与单片机的P1口相连,高低位依次对应。
经以上分析,设计DA转换器的接口电路如图所示
3、控制器设计
控制器选择AT89C51单片机,根据ADC0809和DAC0832的特性,及上述分析,设计单片机与AD、DA的接口电路如下图所示
电路图如图所示
五.采用直接程序法
程序流程图如下:
程序如下:
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
floatCL0p=0;//系数CL0;
#defineADC0809P0;//AD0809的端口部分,P0为AD的数据接口;
sbitAD_Start=P2^0;//开始转换信号有T0定时来控制;
sbitAD_CLOCK=CLK;//时钟信号由单片机提供;
#defineDAC0832P1;//DAC0832的端口部分;P1为DA的数据接口;
ucharC1.0,C1.1,C1.2,C1.3,C1.4.C1.5;//分别为k,k-1,k-2,k-3,k-4,k-5时刻的偏差;
ucharUK0,UK1;//分别为k,k-1时刻的输出;
main()
{
C1.0=C1.1=C1.2=C1.3=C1.4=C1.5=0;
UK0=UK1=0;
TMOD=0X01;//定时器控制方式
TL0=0XE0;//定时器初始化;
TH0=0XB1;
TR0=0;//关闭T0计时;
ET0=1;
PT0=1;//T0中断允许优先级;
EX0=1;
IT0=1;//触发方式,跳沿触发;
DA0832=0x00;//先清零DA;
TR0=1;//定时器开始计时,20ms转换一次;
EA=1;//总中断开;
while
(1);//等待中断
}
voidint_0(void)interrupt0//单片机中断处理程序;
{
EA=0;
AD_START=1;
UK0=AD0809;
CK0=C1.1*0.98-C1.5+UK0*0.198;
C1.5=C1.4;
C1.4=C1.3;
C1.3=C1.2;
C1.2=C1.1;
C1.1=C1.0;//中间偏差量递推赋值;
UK1=UK0;//控制量递推赋值预估器的输入;
DAC0832=CK0;
EA=1;
}
voidinter_timer0()interrupt1//定时器0溢出中断;
{
EA=0;
TL0=0XF0;
TH0=0XD8;
AD_Start=0;//启动AD;
EA=1;
}
六、设计工作总结及心得体会
通过这次计算机控制课程设计,我们不仅更加深刻地理解了Smith预估控制,而且将我们在计算机控制,matlab,protel与单片机课程上所学到的知识相结合,更进一步提高了我们综合运用知识的能力。
通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起,我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广,加深了对专业、对工程设计的理解。
更加重要的是我们认识到做事要有耐心,切忌浮躁。
老师在课设的第一节课给我们布置任务时,我感觉我们的题目很简单。
可是进一步做分析后我发现1、思路不明确,根本不知道从什么地方入手;2、基础知识不扎实,发现很多概念都模糊了。
当我静下心来,认真理解题目并规划好做题步骤,就发现原来目标还是很明确的。
首先,我把有关计算机控制这门课的基本知识重新复习了一遍,包括史密斯预估器,AD、DA转换,零阶保持器等相关内容。
然后我经过多方查阅资料,将课程设计的大体步骤列出。
最后将每一步的工作都具体化,就这样我们一步步完成了课程设计。
最大的收获是我在课程设计中体会到了团队合作的重要性。
古语有云:
众人拾柴火焰高。
当思路卡壳时,三人一起讨论,很快便会有比较好的解决办法。
七、参考文献
1、张毅刚主编.单片机原理及应用高等教育出版社,2003.12
2、李铁桥,张虹主编计算机控制理论与应用2005,7
3.。
【美】乔。
H。
周著离散时间控制问题2004.8
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- Smith 预估 控制 设计