最少拍控制系统设计

题目：最少拍控制系统设计课程：计算机控制技术

专业：控制工程

姓名：韩庆芝

学号：142085210202

摘要

《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，计算机控制技术的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。通过设计，加深对控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，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。

在数字随动系统中，通常要求系统输出能够快速地、准确地跟踪给定值变化，最小拍控制就是适应这种要求的一种控制策略。

在数字控制系统中，通常把一个采样周期称为一拍。所谓最小拍控制，是指系统在某种典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下，经过最少的采样周期使得系统输出的稳态误差为零。最小拍控制系统也称为最小拍无差系统或最小拍随动系统。显然这种系统对闭环脉冲传递函数的性能要求是快速性和准确性。最小拍控制是一类时间最优控制，系统的性能指标就是要求调节时间最短。

目录

1 课题简介.................................................................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 设计内容 (1)

1.2 设计要求 (1)

2 最少拍控制方案设计 (2)

2.1 最少拍控制器的介绍 (2)

2.2 控制系统框图及闭环工作原理 (2)

3最少拍控制系统硬件电路设计 (3)

3.1 总体硬件电路图 (3)

3.2 输入双极性的实现原理 (4)

3.3 输出双极性的实现原理 (5)

3.4 给定的被控对象的实现 (5)

4 最少拍无纹波系统控制算法设计 (7)

4.1 最少拍无纹波控制的基本原理 (7)

4.2 最小拍无纹波控制的算法实现 (8)

5最小拍无纹波控制软件编程设计 (9)

5.1 主程序及中断程序的思考图及具体流程图 (9)

5.2 重要程序的作用与实现 (9)

6 实验与结果分析 (11)

6.1 仿真结果 (11)

6.2 上机调试结果 (11)

7 小结与体会.............................................................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献. (12)

1课题简介

1.1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：最少拍控制。

3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、最少拍控制程序、D/A 输出程序等。

1.2 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：

5

5

(),

()(0.81)(0.31)

(0.81)(0.21)

G s G s s s s s =

=

++++

4. 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。

5. 定时中断间隔选取10ms ，采样周期取采样中断间隔的整数倍，取1000ms 。

6. 滤波方法可选择平均值法，中值法和滑动滤波法。

2 最少拍控制方案设计

2.1 最少拍控制器的介绍

最少拍控制器是基于准确的被控对象而建立的一种控制算法。

随动系统式一种速度跟踪系统，它的主要性能指标是快速性，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值地变化。应用数字控制器设计的随动系统的快速性一般以系统需要多少个采样周期数来表征。通常称一个采样周期为一拍，无疑在越少的拍数内，系统的输出能跟上给定值，则系统的快速性越好。最少拍控制就是为满足这一要求的一种离散化设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某个典型的输入，设计D(z)使闭环系统响应在最少的采样周期内（最少拍）达到采样点上无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式：

Φ(z)= Φ1z-1+Φ2z-2+…+ΦN z-N

其中N为可能情况下的最小正数。

这一形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，即系统在N拍之内达到稳定最少拍闭环控制系统包括给定值，输出值，D/A转换环节，数字控制器，被控对象，零阶保持器等环节。

2.2 控制系统框图及闭环工作原理

最少拍双通道采样的闭环系统框图如上所示，在该系统中，对给定值r(t)进行D/A转换采样，得到离散化的r(z)，并且对输出值c(t)也进行D/A转换，得到c(z)，然后计算有e(k）=c(k)-r(z)。D(z)为计算机控制系统的脉冲传递函数，U(z)为输出的控制量，然后经过A/D转换后得到模拟控制量U(t)，对包含零阶保持器的被控量进行控值进而达到要求的最小拍控制的目的。