计算机控制系统原理课程设计.docx
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计算机控制系统原理课程设计
《计算机控制技术》课程设计任务书
一、课程设计目的
课程设计是课程教学中的一项重要容，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整定工作打下基础。
二、课程设计容
设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放电路组成的被控对象构成的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ADC0809和模出电路DAC0832；由运放构成的被控对象。
2.控制算法：
PID控制、最少拍控制、大林算法。
3.软件设计：
主程序、定时中断程序、A/D转换程序、滤波程序、D/A输出程序、最少拍控制程序等。
三、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.被控对象：
3.控制器设计：
最少拍控制器。
被控对象有积分环节的按斜坡输入信号设计控制器，否则按阶跃输入信号设计控制器。
4.定时中断间隔可在10-50ms中选取，采样周期取采样中断间隔的整数倍，可取1000-2000ms，由实验结果确定。
四、课程设计实验结果
1.控制系统能正确运行。
2.按设计信号下的系统输出响应。
3.其他典型输入信号下的系统输出响应。
五、进度安排
序号
容
天数
1
布置任务，查阅资料
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
六、课程设计报告容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体容要求如下：
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。
七、参考文献
（列出你所利用的参考文献。
格式参见下。
）
[1]于海生主编，微型计算机控制技术，：
清华大学，1999
[2]艳兵等编著，计算机控制技术，：
国防工业，2008
[3]毅刚主编，单片机原理及应用，：
高等教育，2004
[4]涛编著，单片机应用及C51程序设计，：
机械工业，2008
[5]楼然苗,光飞编著,单片机课程设计指导,:
航空航天大学,2007
第二部分
课
程
设
计
报
告
1、课题简介1
1.1课程设计容1
1.2课程设计要求1
2、方案设计1
2.1设计步骤1
2.2控制系统总框图及系统工作原理1
3、硬件电路设计2
3.1被控对象设计2
3.2硬件电路原理图2
4、控制算法设计3
5、软件编程设计5
5.1流程图设计5
5.2程序设计5
6、实验结果分析8
7、总结9
参考书目9
1、课题简介
1.1课程设计容
设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放电路组成的被控对象构成的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ADC0809和模出电路TLC7528；由运放构成的被控对象。
2.控制算法：
最少拍控制。
3.软件设计：
主程序、定时中断程序、A/D转换程序、滤波程序、D/A输出程序、最少拍控制程序等。
1.2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.被控对象
3.设计无纹波最少拍控制器。
被控对象有积分环节的按斜坡输入信号设计控制器，否则按阶跃输入信号设计控制器。
4.定时中断间隔可在10-50ms中选取，采样周期取采样中断间隔的整数倍，可取1000-2000ms，由实验结果确定。
5.滤波方法可选择平均值法，中值法等。
2、方案设计
2.1设计步骤
先进行硬件设计，根据Gz改造被控对象
进行最少拍控制算法计算
读例程序，画出流程图，进行修改
调试实验结果
2.2控制系统总框图及系统工作原理
图2-1系统总框图
误差E=R-C经运放运算得到，并由模数转换器采集。
最少拍控制算法由软件程序和单片机实现。
输出U经数模转换器和零阶保持器转换成模拟信号送至被控对象。
被控对象由两只运放及阻容元件构成。
3、硬件电路设计
3.1被控对象设计
被控对象
由两只运放及阻容元件构成。
积分部分C=4uF，R=250k
惯性部分R1=25k，R2=200k，C=1uF
图3-1被控对象设计
3.2硬件电路原理图
图3-2系统电路图
4、控制算法设计
被控对象传递函数
根据香农采样定理，选择采样周期T=0.1s
零阶保持器的传递函数为
对被控对象带零阶保持器进行Z变换，得:
由该式可知：
其中D为采样周期纯滞后环节的个数，
q=2为单位速度输入，
ω为G（z）中零点的个数，
v为G（z）中不稳定极点的个数，
j为G（z）在单位圆上极点的个数
故Φe（z）和Φ（z）可设为
又
所以有
解得
所以
5、软件编程设计
5.1流程图设计
图5-1系统流程图
5.2程序设计
#include
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineADC_7XBYTE[0x0600]
#defineDAC_1XBYTE[0x0640]
sbitstr=P1^7;定义A/D启动信号
sbitDIN0=P1^0;声明同步信号
uintdatatime;声明变量，用于定时
uchardatat0_h,t0_l;用于存储定时器0的初值
intTK=10;声明采样周期=TK*10ms
intTC;TC的变量
floatKK0=7.8;系数
floatKK1=-9.366;
floatKK2=2.809;
floatKK3=0;
floatPP1=-0.332;
floatPP2=-0.668;floatPP3=0;
charUK;当前时刻DA的输出
charEK;当前时刻的偏差
charUK_1,UK_2,UK_3,EK_1,EK_2,EK_3;
前三次采样时刻的控制量和偏差
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;
time=10;定时10ms
t0_h=（65536-500*time）/256;
计算定时器0初值
t0_l=（65536-500*time）%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;边沿出发中断
EX1=1;开外部中断1
ET0=1;开外部中断0
TR0=1;启动定时器
TC=1;
DAC_1=0x80;DA清零
UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;
EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;
EA=1;开总开关
while
（1）;
}
voidint1（）interrupt2using2
{floati,j;
DIN0=1;读取输入前，先输出高电平
if（DIN0）判断同步信号是否到达
{
UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;
EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;
DAC_1=0x80;DA输出零
TC=1;
}
else
{
TC--;判断采样周期是否到达
if（TC==0）
{
EK=ADC_7-128;
采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量
i=EK*KK0;
i=i+EK_1*KK1;
i=i+EK_2*KK2;
i=i+EK_3*KK3;
j=UK_1*PP1;
j=j+UK_2*PP2;
j=j+UK_3*PP3;
i=i-j;
if（i>0）判断是否溢出
{
if（i>=127）
UK=127;
else
UK=（char）i;
}
else
{
if（i<-128）
UK=-128;
else
UK=（char）i;
}
DAC_1=UK+128;DA输出控制量
UK_3=UK_2;控制量地推
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
}
}
}
voidTimer0（）interrupt1using1
{
str=!
str;
TH0=t0_h;
TL0=t0_l;
}
6、实验结果分析
首先利用MATLAB仿真，仿真图及结果如图6-1
图6-1MATLAB仿真图
图6-2仿真结果
使用实验箱做仿真时得到的仿真结果为图6-3
图6-3实验箱仿真结果及数字控制器输出结果
从仿真结果来看，调节之后的电路可以两拍跟踪斜坡输入信号，MATLAB仿真结果没有任何纹波，但是在实验箱上仿真时出现了纹波，后期出现了不稳定的偏差，原因是实验箱上的电阻电容原件并不是非常精确的数值，在做G（s）的参数时有偏差，因此会出现上述结果。
7、总结
参考书目
[1]于海生主编，微型计算机控制技术，：
清华大学，1999
[2]艳兵等编著，计算机控制技术，：
国防工业，2008
[3]毅刚主编，单片机原理及应用，：
高等教育，2004
[4]涛编著，单片机应用及C51程序设计，：
机械工业，2008
[5]楼然苗,光飞编著,单片机课程设计指导,:
航空航天大学,2007
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