扬州大学机控课程设计大林算法控制系统设计.docx
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扬州大学机控课程设计大林算法控制系统设计
扬州大学能源与动力工程学院
课程设计报告
题目：
大林算法控制系统设计
课程：
计算机控制技术课程设计
专业：
电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
第一部分
任
务
书
《计算机控制技术》课程设计任务书
一、课题名称
大林算法控制系统设计
二、课程设计目的
课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。
《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。
计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。
通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。
三、课程设计内容
设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。
1.硬件电路设计：
89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。
2.控制算法：
大林控制算法。
3.软件设计：
主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、大林算法控制程序、D/A输出程序等。
四、课程设计要求
1.模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V）。
2.模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。
3.每个同学选择不同的被控对象：
4.对象的纯延迟环节
用软件通过数组单元移位实现。
5.定时中断间隔选取50ms，采样周期T要求既是采样中断间隔的整数倍，又满足
。
。
6.闭环系统时间常数
按
的被控对象最大时间常数选择。
有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。
五、课程设计实验结果
1.控制系统能正确运行。
2.有振铃和消除振铃的系统阶跃输出和控制器。
六、进度安排
序号
内容
天数
1
布置任务，熟悉课题要求
0.5
2
总体方案确定，硬件电路设计
1.5
3
熟悉实验箱及C语言开发环境，研读范例程序，
1
4
控制算法设计
1
5
软件编程，调试
1
6
实验
1
7
总结，撰写课程设计报告
1
七、课程设计报告内容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：
1．课程设计的目和设计的任务。
2．课程设计的要求。
3．控制系统总框图及系统工作原理。
4．控制系统的硬件电路连接图（含被控对象），电路的原理。
5．软件设计流程图及其说明。
6．电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。
7．实验结果及其分析。
8．体会。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1课程简介……………………………………………………………………………………..7
1.1程设计目的.....................................................................................................................7
1.2程设计内容....................................................................................................................7
1.3程设计要求......................................................................................................................7
2方案设计．..............................................................................................................................8
2.1控制系统整体方案...........................................................................................................8
2.2控制系统闭环工作原理...................................................................................................8
3大林算法硬件电路设计………………………………………………………………….…..8
3.1A/D采样电路.....................................................................................................................8
3.2D/A输出电路……………………………….....................………......…………......10
3.3给定对象硬件电路设计..................................................................................................10
3.4译码电路.........................................................................................................................11
3.5总硬件图.........................................................................................................................12
4控制算法设计...........................................................................................................................12
4.1控制算法的原理................................................................................................................12
4.2采样周期.............................................................................................................................12
5软件编程设计．.........................................................................................................................12
5.1主程序与中断流程图.........................................................................................................12
5.2部分控制程序代码..............................................................................................................13
3.全局变量定义的源代码：
....................................................................................................16
6实验结果与分析．......................................................................................................................17
7小结与体会．..............................................................................................................................17
参考文献．....................................................................................................................................18
附录.............................................................................................................................................19
1、课题简介
1.1课题目的
课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。
《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。
计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。
通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。
1.2课题内容
设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。
1.硬件电路设计：
89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。
2.控制算法：
大林控制算法。
3.软件设计：
主程序、中断程序、A/D转换程序、大林算法控制程序、D/A输出程序等。
1.3课题要求
1.模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V）。
2.模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。
3.选择被控对象：
4.对象的纯延迟环节
用软件通过数组单元移位实现。
5.定时中断间隔选取50ms，采样周期T要求既是采样中断间隔的整数倍，又满足
。
6.闭环系统时间常数
按
的被控对象最大时间常数选择。
2.大林算法控制系统方案设计
2.1控制系统总体介绍
图2.1-1大林算法设计的闭环控制系统方框图
大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，可以近似用一阶或二阶惯性环节加纯滞后环节来表示，其传递函数为
一阶对象：
，
二阶对象：
大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ（s）相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节相串联，即
，
并希望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同。
其中为闭环系统的时间常数，纯滞后时间与采样周期T有整数倍关系，（N=1,2﹒﹒﹒﹒）。
2.2控制系统闭环工作原理
在本次大林算法控制系统中，系统先进行A/D采样，将给定值采样值取到单片机内，之后单片机会选择另外一路通道，进行输出值即反馈值的采样。
将输出值采样到单片机内后，在单片机中进行差值E（k）计算，再通过单片机中的算法程序得到输出量U（k），再经过D/A变换器，将输出结果作用于被控对象。
经被控对象的输出值又将作为反馈值被采样到单片机内。
3.大林算法控制系统硬件电路设计
3.1A/D采样电路
该实验的A/D采样硬件电路如图3-1所示
图3-1A/D采样硬件电路图
上图所示的是ADC0809与8051连接的硬件电路图，其中在ADC0809中，IN-6、IN-7分别采样给定信号和反馈信号，A\D转换器的引脚A接单片机的P1^6，用于选择采样通道。
控制计算机的定时器作为基准时钟（初始化为50ms），在第一次启动A/D转换时，此时P1^6=0，选择的IN-6，采样的是给定信号，当采样周期到时，此时P1^6=1，同时在定时器中启动A/D转换，此时采样的是反馈信号，给定信号和反馈信号的采样值分别存储在程序的RK和UK1中。
模数单元采用ADC0809芯片，主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分。
其主要特点为：
单电源供电、工作始终CLOCK最高可达1200KHz、8位分辨率、8个单端模拟输入端（IN0~IN7）、TTL电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。
通过三端地址译码A、B、C多路开关可选通8路模拟输入的任何一路进行A/D变换。
其中IN1~IN5的模拟量输入允许范围：
0V~4.98V，对应数字量为00H~FFH，2.5V对应80H；IN6和IN7两路由于接了上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：
-5V~+4.98V,对应数字量00H~FFH，0V对应80H。
在设计过程中使用的TD-ACC+教学系统中的ADC0809芯片，其输出八位数据线以及CLOCK线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK（1MHz）上。
其它控制线根据实验要求可另外连接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0~IN7）。
其中IN6和IN7可以测量-5V~+5V的量，主要是因为加了外部电路。
如图所示，在IN6和IN7的实际输入端其输入范围为0~5V，在外围电路中，采用两个相同电阻分压的方式，因为给了一个5V的电压，当输入端为-5V时，0809的实际输入端为两者相加之和的一半，为0V，在0809采样电压的范围以内。
但将该采样值取进单片机内后，其表示范围为-128~127，对应为0~5V的电压，所以我们需要在程序里将采样值减去128以使采样值与设定值相对应。
因此加了外部电路，0809就可以采集-5~+5V的电压了。
3.2D/A输出电路
数模转换单元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出模数转换器。
其主要参数如下：
转换时间100ns，满量程误差1/2LBS，参考电压-10V~+10V，供电电压+5V~+15V，输入逻辑电平与TTL兼容。
输入数字范围为00H~FFH,80H对应于0V，输出电压为-5V~+4、96V。
在课程设计过程中采用的TD-ACC+教学系统中的TLC7528，其输入数字量得八位数据线、写线和通道选择控制线已经接至控制计算机的总线上。
片选线预留出待实验中连接到相应的I/O片选上，如图3-2。
图3-2D/A输出电路
该芯片TLC7528可以双极性输出，但须在单片机中将D/A的输出值加128后再交给TLC7528芯片进行D/A输出。
3.3给定对象硬件电路设计
图3-3给定对象硬件电路图
如图3-3所示，为被控对象的硬件电路的设计图，在本次的课程设计中的被控对象传递函数：
，其中比例部分由两个运算放大器组合实现，即，第一个运算放大器的积分部分为4×200÷1000=0.8，实现被控对象的第一部分，第二个运算放大器的积分部分为4×250÷1000=1，实现被控对象的第二部分。
延迟通过数组来实现，滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N个单元作为存放信号m（k）的历史数据，每采样一次，把m（k）记入0单元，同时0单元原来存放的数据移到1单元，单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的m（k-N）信号。
3.4译码电路
图3-4译码电路
3.5总硬件图
见附录图总硬件图
4.大林算法控制系统算法设计
4.1控制算法的原理
实验算法中，用脉冲传递函数近似法求得对应的闭环脉冲传递函数：
将代入，并进行Z变换：
式中
，
经计算
，
无振铃时，有
，
于是对应的递推公式为
u（k）=-0.4981u（k-1）+0.9409u（k-2）+0.5573u（k-3）+1.4967e（k）-1.7089e（k-1）+0.4859e（k-2）
则程序中
KK0=1.4967,KK1=-1.7089,KK2=0.4859，PP1=-0.4981,PP2=0.9409,PP3=0.5573
4.2采样周期的选择
在本实验中，定时中断间隔选取50ms，采样周期T要求既是采样中断间隔的整数倍，又要满足，而由被控对象的表达式可知，所以取N=1，
。
因为，
因为采样周期T=500ms=0.5s，定时中断为0.5s，就是说1个定时中断后进行采样。
5.大林算法控制系统软件编程设计
5.1主程序与中断流程图
主程序流程图：
设定时器工作状态
定时器装入初值
设定外中断类型
开外中断和定时器中断
启动定时器
D/A清零
变量清零
图5.1-1
采样中断服务程序流程图：
图5.1-2
5.2部分控制程序代码
1.主程序部分源码：
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;
t0_h=（65536-15536）/256;//计算定时器0初值
t0_l=（65536-15536）%256;
t0_l=t0_l+20;//修正因初值重装而引起的定时误差
TH0=t0_h;
TL0=t0_l;
IT1=1;//边沿触发中断
EX1=1;//开外部中断1
ET0=1;//开定时中断0
TR0=1;//启动定时器
TC=1;
DAC_1=0x80;//D/A清零
UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;//变量清零
EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;
RK=RK_1=RK_2=RK_3=0;
bb=0;
EA=1;//开总中断
FLG=0;
DOUT0=0;
while
（1）;
}
主程序的功能主要是：
对定时器的赋值、开外中断、初始各变量，其中while
（1）是使主程序进入死循环，等待中断到来。
2.采样中断程序的部分源码：
（1）判断同步信号程序：
DIN0=1;//读取输入前，先输出高电平
if（DIN0）//判同步信号到否
{
UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;
EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;
RK=RK_1=RK_2=RK_3=0;
DAC_1=0x80;//D/A输出零
TC=1;
}
（2）双通道采样：
{
TC--;//判采样周期到否
if（TC==0）
{
if（FLG==0）
{
RK=ADC_7-128;//采样当前的给定值
DOUT0=1;
FLG=1;
TC=TK;
}
else
{
FLG=0;
UK=ADC_7-128;//采样当前的输出值，并计算偏差的变化量
DOUT0=0;
EK=RK-UK;
EK_1=RK_1-UK_1;
EK_2=RK_2-UK_2;
EK_3=RK_3-UK_3;
i=KK*0EK*+KK1*EK_1+EK_2*KK2
j=PP1*UK_1+PP2*UK_2+PP3*UK_3;
UK=G*i+j;
if（UK>0）//判控制量是否溢出，溢出赋极值
{
if（UK>127）
aa=127;
else
aa=（char）UK;
}
else
{
if（UK<-128）
aa=-128;
else
aa=（char）UK;
}
DAC_1=bb+128;//D/A输出控制量
bb=aa;
UK_3=UK_2;//控制量递推
UK_2=UK_1;
UK_1=UK;
EK_3=EK_2;//偏差递推
EK_2=EK_1;
EK_1=EK;
TC=TK;//采样周期变量恢复
}
}
}
}
双通道采样原理说明：
由于在主程序中，将DOUT2置“0”，已经选择了采样通道IN6，第一次进行A/D转换时，对给定信号进行采样，并将采样值存储在RK中，同时将DOUT2置“1”，这时将A/D通道IN7选中，等待采样周期到时，则采样反馈信号，并将采样值存储在UK1中，在变量定义中，已经将P1.6定义为DOUT2，故改变DOUT2值就改变了P1.6。
中断程序实现的功能：
对给定信号进行采样，并将采样值存储在RK中，同时将DOUT2置“1”，将A/D通道IN7选中，待采样周期到时，则采样反馈信号，并将采样值存储在UK1中，接下来便是计算偏差E（k），计算U（k），将值通过端口DAC_1在下一周期到来时输出；再次在该中断程序中，增加一个变量bb1,用于存储前一周期的输出值，这样使得输出量能够延迟1秒输出；最后就是通过递推公式，计算实现输出信号的不断优化。
该程序实现的功能是对定时器的重新装值，同时，当采样周期到时，启动A/D，用于对转换反馈信号进行A/D转换。
3.全局变量定义的源代码：
sbitstr=P1^7;//定义A/D启动信号
sbitDIN0=P1^0;//声明同步信号
sbitDOUT0=P1^4;//用于控制采保产生纯滞后一拍
sbitDOUT1=P1^5;
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