最小拍控制设计——计算机控制课程设计

《计算机控制》课程设计报告

题目: 最小拍控制设计

姓名:

学号:

2014年7月4日

《计算机控制》课程设计任务书

学号班级

学生指导教师

题目最小拍控制设计

设计时间2014年 6 月27 日至2014 年7 月 4 日共 1 周

设计要求

设计任务：设单位反馈线性定常离散系统的连续部分和零阶保持器的传递函数分别为

)1

(

10

)

(

+

=

s

s

s

G

p

，

s

e

s

G

Ts

h

-

-

=

1

)

(，采样周期T=0.05s，设计数字控制器)(z

D，要求系统在单位阶跃输入时实现最小拍无波纹控制。

方案设计：

1.完成控制系统的分析、设计；

2.选择元器件，完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机

(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用

Proteus绘制原理图；

3.编程实现单片机上的控制算法。

报告内容：

1.控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、

数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；

2.元器件选型，电路设计，以及绘制的Proteus原理图；

3.软件流程图，以及含有详细注释的源程序；

4.设计工作总结及心得体会；

5.列出所查阅的参考资料。

指导教师签字：系（教研室）主任签字：

2014年6 月27 日

方案设计：

一、题目分析

设单位反馈线性定常离散系统的连续部分和零阶保持器的传递函数分别为

)

1(10)(+=

s s s G p ，s e s G Ts

h --=1)(，采样周期T=0.05s ，设计数字控制器)(z D ，要求系

统在单位阶跃输入时实现最小拍无波纹控制。

二、控制系统设计 1、被控对象特性

图1 被控对象整体框图

图2 被控对象波特图

图3 被控对象波特图

图4 被控对象Nyquist图

图5 被控对象输出曲线图

2、采样周期T的选择

当取采样周期T=0.05s时，经过理论验证，两拍后系统无波纹，达到无波纹输出时t=0.10s，满足控制器要求。

3、无波纹最小拍控制器的计算

G s通过matlab，z变换程序为（1）带零阶保持器的广义被控对象为()

np=[0 0 10];

dp=[1 1 0];

hs=tf ( np, dp);

hz=c2d(hs,0.05)

结果为

Transfer function:

0.01229 z + 0.01209

----------------------------

z^2 - 1.951 z + 0.9512

Sampling time: 1 即

9512

.0951.1z 01209

.0z 01229.0)z (2

+-+=

z G （1）

（2）无波纹最小拍控制器D （z ）

根据G(z)，对于单位阶跃r （t ）=1（t ），m=1。考虑到广义对象，则闭环脉冲传递函数为

)9837.01(f 111--+=Φz z z ）（

由10.9837)

(1f 1=+，得系数5041.0f 1=，则系统脉冲传函为

)9837.01(5041.011--+=Φz z z ）（

误差脉冲传函为

)4959.01(-111e --+=Φz z z ）（）（

由*z e

D G φ

φ=

得设计的控制器为

1

--1z 4959.019.015z

3-1.0174)z (+=

D （2）

4、无波纹最小拍控制系统框图

图6 控制系统整体框图

5、无波纹最小拍控制系统Matlab 仿真

通过Matlab 观察阶跃输入响应曲线如下

由图7可见，2拍后输出跟上输入，可实现最小拍控制，T=0.05s满足要求。

图8 控制系统波特图

6、无波纹最小拍控制系统simulink仿真

图10 控制系统仿真图

仿真结果为：

（１）系统输入及系统输出曲线c(t)图形如下：

图11 控制系统输出响应图（2）系统误差e（t）曲线如下：

图12 控制系统误差曲线图

（3）控制器输出u （k ）曲线如下：

图13 控制系统控制器输出曲线图

通过仿真曲线看出： 控制器D （z ）满足设计要求，系统在第二拍之后系统达到无差，最后控制器输出恒定（u （k ）=0），因此系统输出不会产生波纹，调节时间为s 10.0t s =。 将z Uz

D Ez

=

得系统的差分方程为： )1k (e 015.39)k (e 017.411-k u 4959.0k u --+-=）（）（ （3）

三、硬件电路设计及元件选型

控制器部分由AD 转换器，DA 转换器和AT89C51单片机组成。模数转换芯片采用ADC0808，数模转换芯片采用DAC0832。