计算机控制原理课程规划

发布时间：2022-06-18 14:05:03 来源：党团工作点击：

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　《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、课程设计内容设计以 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：

　8( )(0.2 1)G ss s 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、进度安排序号内容天数 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

　六、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。

　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，北京：清华大学出版社，1999 [2] 张艳兵等编著，计算机控制技术，北京：国防工业出版社，2008 [3] 张毅刚主编，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2004 [4] 陈涛编著，单片机应用及 C51 程序设计，北京：机械工业出版社，2008 [5] 楼然苗, 李光飞编著, 单片机课程设计指导, 北京: 北京航空航天大学出版社, 2007

　第二部分

　课程设计报告

　1 1 、课题简介

　................................ ................................ ....

　1 1

　1 1.1 课程设计内容

　................................ ............................

　1 1

　2 1.2 课程设计要求

　................................ ............................

　1 1

　2 2 、方案设计

　................................ ................................ ....

　1 1

　1 2.1 设计步骤

　................................ ................................

　1 1

　2 2.2 控制系统总框图及系统工作原理

　................................ ............

　1 1

　3 3 、硬件电路设计

　................................ ................................

　2 2

　3.1 1 被控对象设计

　................................ ............................

　2 2

　2 3.2 硬件电路原理图

　................................ ..........................

　2 2

　4 4 、控制算法设计

　................................ ................................

　3 3

　5 5 、软件编程设计

　................................ ................................

　5 5

　1 5.1 流程图设计

　................................ ..............................

　5 5

　5.2 程序设计

　................................ ...............................

　5 5

　6 6 、实验结果分析

　................................ ................................

　8 8

　7 7 、总结

　................................ ................................ ........

　9 9

　参考书目

　................................ ................................ .......

　9 9

　 1 1 、课题简介

　1.1 课程设计内容设计以 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8( )(0.2 1)G ss s 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范例程序，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。

　最少拍控制算法 D（z）

　1Tses5(0.8 1) s s  R E C

　 2 3 、硬件电路设计

　 3.1 被控对象设计被控对象8(0.2 1) s s 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

　3.2 硬件电路原理图

　图 3-2 系统电路图图 3-1 被控对象设计

　 3 4 、控制算法设计

　被控对象传递函数 8( )(0.2 1)G ss s 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 h1( )sTeG ss 对被控对象带零阶保持器进行 Z 变换，得: 2-11 11 18(0.2 1)8(0.21( ) [ ]

　 (1- ) [ ]0.1704(1 0.846 )(1 )(1 01).606 )TseG z Zszs ssZzzszz  

　由该式可知：

　0, 2, 1, 1, 1;1;2D q v jm Dn v j q          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Φ e (z)和Φ(z)可设为 1 2 1e 111 2 311 11 11( ) (1 ) (1 )=1 ( 2) (1 2 )z z f zf z f z f z           1 1 221 221 2 321 22 21 22( ) (1 0.846 )( )( 0.846 ) 0.846z z f z f zf z f f z f z          

　 4 又 ( ) 1 ( )ez z   

　所以有 11 2111 22 2111 222 01 2 0.846 00.846 0f ff f ff f       解得

　1121220.6681.330.79fff  所以 1 2 1( ) (1 ) (1 0.668 )ez z z    

　1 1 2( ) (1 0.846 )(1.33 0.79 ) z z z z     

　1 11 11 ( ) (1.33 0.79 )(1 0.606 )( )( ) ( ) 0.1704(1 )(1 0.688 )ez z zD zG z z z z       

　 5 5 、软件编程设计

　5.1 流程图设计

　系统初始化变量初始化等待中断主

　程

　序D/A输出清零变量初始化采样周期变量赋初值同步信号到否?采样周期到否?采样周期变量减一中断返回求误差E(k)计算D(z)模拟延时处理输出控制量U(k)采样周期变量赋初值采样中断服务程序是是否图 5-1 系统流程图

　5.2 程序设计

　 6 #include <reg51.h> #include <absacc.h> #include <math.h> #define uchar unsigned char #define uint

　unsigned int #define ADC_7 XBYTE[0x0600]

　 #define DAC_1 XBYTE[0x0640]

　sbit

　str

　= P1^7;

　定义 A/D 启动信号 sbit

　DIN0 = P1^0;

　声明同步信号 uint

　data time;

　声明变量，用于定时 uchar data t0_h,t0_l; 用于存储定时器 0 的初值 int

　 TK=10;

　声明采样周期=TK*10ms int

　 TC;

　TC 的变量 float KK0=7.8;

　系数 float KK1=-9.366;

　 float KK2=2.809;

　 float KK3=0;

　float PP1=-0.332;

　 float PP2=-0.668; float PP3=0;

　char

　UK;

　当前时刻DA的输出 char

　EK;

　当前时刻的偏差 char

　UK_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

　void main(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

　 = 1;

　DAC_1= 0x80;

　 DA 清零

　UK=UK_1=UK_2=UK_3=0;

　 EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;

　= 1;

　开总开关

　while(1); }

　void int1() interrupt 2 using 2 { float i,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)

　{

　= 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

　 }

　 } }

　void Timer0() interrupt 1

　using 1 {

　str = !str;

　TH0 = t0_h;

　TL0 = t0_l; }

　 8 6 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 6-1 MATLAB 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。

　 9 7 7 、总结

　参考书目 [1] 于海生主编，微型计算机控制技术，北京：清华大学出版社，1999 [2] 张艳兵等编著，计算机控制技术，北京：国防工业出版社，2008 [3] 张毅刚主编，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2004 [4] 陈涛编著，单片机应用及 C51 程序设计，北京：机械工业出版社，2008 [5] 楼然苗, 李光飞编著, 单片机课程设计指导, 北京: 北京航空航天大学出版社, 2007