微机控制课程设计26480.pdf
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1、目录 1 课题简介 2 总体方案设计 3 硬件电路设计 4 控制算法设计 5 软件编程设计 6 实验结果与分析 7 小结 最少拍无波纹控制系统设计 1 课题简介 由于最少拍无波纹控制系统模拟连续系统要求的参数准确,但在实验电路中的元器件自身参数的不准确性,及受温度或其它因素的影响,很难做到参数的准确,特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定,输出波形易出现失真,很难得到理想的结果,多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型,这种仿真模型构建方法相对简单,仅用比例积分、一阶惯性和传输函数数学模块搭建,可避免参数的不准确性。最少拍无纹波数字控制器,要求具有以下特点:()准确性。对特定的参考输入信号在
2、到达稳态后系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号即采样点上的输出不存在稳态误差。()快速性。在各种使系统在有限拍内到达稳态的没计中系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。()稳定性。数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。在采样点上的输出不存在稳态误差,但在采样点间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系统。若在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差,则这系统为无波纹最少拍控制系统。它们各有自己的优点,也都存在一些不足。最少拍无纹波数字控制系统在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差,但是它的响应速度相对较慢最少拍无纹波控制系统,其控制算法都是依据被控对象的准确的数学模型
3、 G(z)来确定的。2 总体方案设计 设计要求:根据题目要求,设计无波纹最小拍控制器。采用零阶保持器的单位反馈离散系统,被控对象为5()(0.81)cG sss,要求系统在单位速度信号输入时,实现无波纹最小拍控制,用离散设计法设计数字控制器用51 单片机经 0809 采集计一个模拟量并转化为数字量在单片机内的最少拍无波纹控制算法输出数字量再经过 0832转化为模拟量输出,对被控对象进行控制。最少拍无波纹控制器的设计理论:r(t)c(t)e*(t)D(z)E(z)u*(t)U(z)H0(s)C(z)Gc(s)(z)G(z)R(z)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
4、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)()(SGSHC (1)系统闭环脉冲传递函数为:(z)=)()(zRzC=)()(1)()(zGzDzGzD (2)
5、系统误差脉冲传递函数为:e(z)=)()(zRzE=1-(z)=)()(11zGzD (3)数字控制器脉冲传递函数:D(z)=)()(zEzU=)(1zG)(1)(zz (4)若已知 Gc(s),且可根据控制系统的性能指标要求构造(z),则根据 G(z)=Z)(1sGsecTs=(1-z-1)Z ssGc)(和 D(z)=)()(zEzU=)(1zG)(1)(zz 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他约束条件,确定所需的闭环传递函 数(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
6、D(z)的一般形式 1、闭环Z 传递函数(z)的确定;由图 1:误差 E(z)的 Z 传递函数为:e(z)=)()(zRzE=1-(z)=)()(11zGzD 数字控制器脉冲传递函数:D(z)=)()(zEzU=)(1zG)(1)(zz 从上式看出,D(z)的求取主要取决于(z),或者e(z),(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(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:对阶跃输入,当t NT时,有y(t)=常数;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,对加速
7、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(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:0)()(kkzkuzU.)1()(.)1()0()1(1llzluzluzuu 如果系统经过l个采样周期到达稳态,无纹波要求:)常数(包括 0.)2()1()(lululu 设广义对象)()()(zAzBzzGd 由)()()()()()()(
8、)()()()()()(zRzAzBzzzRzGzzGzYzUzUzGzYd 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wiiddzFzbzzFzBzz1212)()1()()()(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。nnzfzfzfzF22221212.)(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,(z)包含G(z)单位圆上和单位圆外的零点;无波纹设计时,(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(z)的步骤
9、 确定(z)必须满足下列条件: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;按wiidzFzbzz121)()1()(选择(z)按jqzFzzazzjviqie,)()1)(1()(1)(1111 和jqzFzzazzjvijie,)()1)(1()(1)(1111选择e(z);F1(z)、F2(z)阶数的确定mmzfzfzfzF12121111.1)(nnzfzfzfzF22221212.)(3 硬件电路设计 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
10、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REFV为5V。由于 ADC0809 的时钟所限,AD 转换器的时钟信号,由单片机引脚产生,将CLOCK 引脚接单片机的引脚。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
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