1、計算機控制課程設計報告題目: 超前滯后矯正控制器設計 姓名: 學號: 10級自動化 2013年12月2日計算機控制課程設計任務書學 號班 級學 生指導教師題 目超前滯后矯正控制器設計設計時間2013年 11 月 25 日 至 2013 年 12 月 2 日 共 1 周設計要求設計任務：（按照所選題目內容填寫）13超前滯后校正設計設單位反饋系統的開環傳遞函數為，采用模擬設計法設計數字控制器，使校正后的系統滿足：速度誤差系數不小于100，相角裕度不小于40度，截止角頻率不小于20。方案設計：1. 完成控制系統的分析、設計；2. 選擇元器件,完成電路設計，控制器采用MCS-51系列單片機(傳感器、功

2、率接口以及人機接口等可以暫不涉及)，使用Protel繪制原理圖；3. 編程實現單片機上的控制算法。報告內容:1. 控制系統仿真和設計步驟，應包含性能曲線、采樣周期的選擇、數字控制器的脈沖傳遞函數和差分方程；2. 元器件選型，電路設計，以及繪制的Protel原理圖；3. 軟件流程圖，以及含有詳細注釋的源程序；4. 設計工作總結及心得體會；5. 列出所查閱的參考資料。指導教師簽字： 系（教研室）主任簽字：2013年 11 月 25 日1.控制系統分析和設計1.1實驗要求設單位反饋系統的開環傳遞函數為，采用模擬設計法設計數字控制器，使校正后的系統滿足：速度誤差系數不小于100，相角裕度不小于40度，

3、截止角頻率不小于20。1.2系統分析（1）使系統滿足速度誤差系數的要求:(2)用MATLAB畫出的Bode圖為：由圖可以得到未校正系統的性能參數為：相角裕度， 幅值裕度,剪切頻率為：， 截止頻率為（3）未校正系統的階躍響應曲線可以看出系統產生衰減震蕩。（4）性能分析及方法選擇系統的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不穩定。在剪切頻率處對數幅值特性以-40dB/dec穿過0dB線。如果只加入一個超前校正網絡來校正其相角，超前量不足以滿足相位裕度的要求，可以先繳入滯后，使中頻段衰減，再用超前校正發揮作用，則有可能滿足要求。故使用超前滯后校正。1.3模擬控制器設計（1）確定剪切頻率過大會增加超前校正的

4、負擔，過小會使帶寬過窄，影響響應的快速性。首先求出幅值裕度為零時對應的頻率，約為，令。（2）確定滯后校正的參數, ,并且取得, 則滯后校正的控制器為此時系統的響應曲線為：滯后校正后的性能參數為：相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為系統仍需要進行超前校正（3）確定超前校正的參數在圖中過（，0dB）作-20dB/dec線，與原先的Bode相交，交點的角頻率為：, ,超前矯正控制器的傳遞函數為：（4）超前滯后校正同時作用時系統的Bode圖：相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為校正后的系統性能已經滿足了性能指標要求。(5)畫出校正后系統的階躍響應曲線（6）設計好的控制器

5、傳遞函數為：1.4用模擬法設計數字控制器（1）模擬控制器離散化采用雙線性變換法。（2）采樣周期選擇取采樣周期T=0.01s,因為考慮到A/D，D/A轉換的時間以及單片機計算的時間，采樣時間不能選的太小，但是為了保證離散控制器的控制仍能滿足性能指標的要求，采樣時間不能取得太大。取采樣周期為10ms,給程序運行留下了足夠的時間，而且由后面可見控制效果仍滿足性能指標要求，所以取采樣周期為10ms。（3）將模擬控制器離散化離散化后得脈沖函數為：(4)被控對象離散化離散化的被控對象為：（5）繪制出離散系統的Bode圖相角裕度 ， 幅值裕度 ,剪切頻率為：， 截止頻率為離散化的控制器仍舊滿足性能指標的要求

6、，設計合理。(6)離散系統的階躍響應曲線：（6）數字控制器的脈沖傳遞函數：1.5控制系統的編排結構（1）編排結構的選擇如果使用直接型編排結構，如果控制器中任一系數存在誤差，則將使控制器所有的零極點產生響應的變化，嚴重影響系統的性能。在控制器設計時采用了超前滯后校正，所以采用串聯型結構比較簡單，而且任何一系數有誤差，不會使控制器所有的零極點產生相應的變化。因為有復數零點，故可以寫成（2）轉換為差分方程的形式：0.9715可以通過一個比例環節實現，可以不用考慮。只需在設計好的控制器上加個比例因子即可。2.硬件電路設計21元器件選擇(1)控制器選擇選擇8051單片機，外接晶振為2MHz.(2)A/D

7、選擇選擇ADC0809,該AD有8路輸入通道，8位A/D轉換器，分辨率為8位，轉換時間為，（時鐘為640KHz時），（時鐘為500KHz時）；單個+5V供電，模擬輸入電壓范圍為0到5V,不需要零點和滿課度校準；內部沒有時鐘，所以需要外接時鐘，時鐘從單片機的ALE引腳引出。在經過兩個D觸發器分頻，從而達到500KHz的時鐘信號。D觸發器選擇74LS174。A/D轉換時間為，應該能滿足設計的要求。(3)D/A選擇選擇DAC0832，分辨率為8位；可單緩沖，雙緩沖或者直接數字輸入；只需要在滿量程下調整線性度；單一電源供電+5V到+15V;可以滿足設計的要求。輸出電壓值為： 2.2電路的設計（1）A/

8、D轉換電路的設計將AD轉換的ADDA,ADDB,ADDC接地，選擇IN0鎖存器。EOC接P2.2,轉換結束則輸出1，否則輸出為0；OE接P2.1，選擇是否輸出數據。OE=0,輸出高阻態，OE=1輸出數字量；ST接P2.0,轉化開始信號。由1變零轉換開始；IN0接輸入的模擬數據e(t);IN1-IN7懸空；Clock接分頻器SUN7474的輸出端，輸入500HZ時鐘信號；Vref(+)接+5V,Vreft(-)接地，VCC接電源,GND接地；ALE地址所存，上跳沿所存，可以接在P2.O口。D0-D7接單片機的P1.0-P1.7;(2)D/A轉換電路設計 D0-D7接單片機的P0.0-P0.7，數

9、字量輸入；將CS，WR1,WR2,XFER,引腳接地；ILE引腳接+5V,Vref選擇+5V,GND接地；此時DAC0832處于直通工作方式，一旦有數字量輸入，就直接進入DAC寄存器，進行D/A轉換。（3）8051單片機的電路設計： P0.0-P0.7接D/A轉換數字輸入端； P1.0-P1.7接A/D轉化數字輸出端； P2.0接A/D轉換ST端；P2.1接A/D轉換OE端；P2.2接A/D轉換EOC端；外接2MHZ的時鐘電路輸入到時鐘端XTAL1,XTAL2;外接復位電路到RET；2.2硬件電路圖3.用單片機實現控制算法3.1流程圖(2)程序編寫#include<reg51.h>

10、#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit ST=P20; sbit OE=P21; sbit EOC=P22; /A/D轉換結束標志位void main()float uk_1=0.0; float uk=0.0;float ek=0.0;float ek_1=0.0;/初始化float ek_2;float uk_2; ST=0; OE=0; /輸出高阻態 /*定時器中斷初始化*/ TMOD|=0XF9;/ 設置T1工作在方式1，16位定時器方式 TH1=0x7E; TL1=0xE0; /裝初值，定時10ms EA=1

11、;/開總中斷 ET1=1;/開T1中斷 TR1=1;/啟動定時器1 while(1) if(EOC=1) uk_2=uk_1; ek_2=ek_2; uk_1=uk; ek_1=ek; OE=1;/輸出轉換數據 ek=P1;/給單片機輸入數據 OE=0; /輸出高阻態 uk=ek-1.937*ek_1+0.9383*ek_2+1.711*uk_1-0.7119*uk_2;/差分方程 P0=(uchar)uk;/數據輸入到D/A轉換器 while (EOC=0) ;/等待A/D轉換結束 /*定時器中斷處理*/ void time(void) interrupt 1 using 1 TH1=0XF

12、9; TL1=0x7E;/重裝初值 ST=1; ST=0;/開始下一次轉換數據4設計總結與體會4.1設計過程總結：（1） 首先用自動控制原理的知識，設計出滿足要求的超前滯后校正控制器。（2） 對模擬控制器進行雙線線性變換離散化。（3） 觀察bode圖，如果不符合性能指標，則調節采樣周期或者直接重新設計模擬控制器，直到性能指標滿足要求。（4） 選擇合適的編排結構，將設計好的控制器分為幾個串聯或者并聯的控制器，并將每個控制器轉換為差分方程形式，便于編程序。（5） 選擇單片機及A/D,D/A轉換芯片，用protel畫出實現控制器任務的最小系統硬件圖。（6） 繪制控制算法流程圖（7） 編程實現控制器的

13、控制算法4.2心得體會在這次的設計過程中，我將整個控制器的設計過程都經歷了一遍，包括應用自動控制原理的知識來設計超前滯后校正，并用MATLAB繪制Bode圖；應用用計算機控制系統的知識對設計好的模擬控制系統雙線性變換，編程數字控制器，用protel軟件繪制硬件電路圖，用visio繪制流程圖，用Keil軟件編寫實現控制算法的程序。對大學期間所學的內容鞏固了一邊，綜合應用了專業課所學的知識，而且熟悉了專業領域常用軟件的使用，收獲很多，這次課設經驗為我們以后的學習工作打下了基礎。設計中的不足之處是沒有實際的硬件電路來驗證自己設計的控制器的正確性，沒有顯示出來實際的控制效果，希望有機會可以完整的做一套

14、控制系統。5. 參考文獻自動控制原理張晉格計算機控制系統設計課件馬立勇單片機原路及應用 張毅剛附錄1.原系統的階躍響應程序num1=100;den1=conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G,1);step(T);2.校正后系統的bode圖程序：num1=conv(33 100,0.3 1);den1=conv(0.03 1,conv(3 1,conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)margin(num1,den1);3.校正后系統的階躍響應曲線程序：num1=conv(33 100,0.3 1);den1=c

15、onv(0.03 1,conv(3 1,conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1)G=tf(num1,den1);T=feedback(G,1);step(T) 4.校正后離散系統的bode圖程序num1=conv(0.33 1,0.3 1);den1=conv(3 1,0.03 1);GC1=tf(num1,den1);GC1GZ1=c2d(GC1,0.01,'tustin');GZ1num0=100;den0=conv(1 0,conv(0.1 1,0.01 1);Gp=tf(num0,den0);GZ2=c2d(Gp,0.01,'ZOH')GZ2