大林算法控制系统设计

大林算法控制系统设计 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
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s e τ-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(0.21)T τ=-。

6. 闭环系统时间常数T τ按11~23⎛⎫ ⎪⎝⎭
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
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
目录
1 课程简介 (7)
程设计目的 (7)
1. 2程设计内容 (7)
程设计要求 (7)
2 方案设计．................................................................................ (8)
控制系统整体方案 (8)
控制系统闭环工作原理 (8)
3 大林算法硬件电路设计 (8)
A/D采样电路 (8)
D/A输出电路....................................... ... ... ... ... ... (10)
给定对象硬件电路设计............................................................... .. (11)
总硬件图................................ ... . (11)
4 控制算法设计 (11)
控制算法的原理 (12)
计算机实现的计算机推导公式 (12)
采样周期 (13)
5 软件编程设计． (13)
主程序与中断流程
图............................................................
(13)
部分控制程序代
码............................................................
(14)
6 实验结果与分析． (17)
7 小结与体会．............................................................... (17)
参考文献． (18)
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： T ,e )
s .)(s .()s (G s .=++=-τ501501408 4. 对象的纯延迟环节s e τ-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(0.21)T τ=-。

6. 闭环系统时间常数T τ按11
~23⎛⎫ ⎪⎝⎭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
控制系统总体介绍
图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：NT ,e s T K )s G(s =+=
-ττ11， 二阶对象：NT ,e )
s T )(s T (K )s (G s =++-ττ1121, 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
NT ,e s T )s (s =+=-ττ1
1τΦ， 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﹒﹒﹒﹒）。

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
A/D采样电路
该实验的A/D采样硬件电路如图3-1所示
图3-1 A/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1200KH Z、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~，对应数字量为00H~FFH，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~+,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（1MH Z）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），如图3-1（2）所示。

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。

D/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3-2 D/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。

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： T ,e )
s .)(s .()s (G s .=++=-τ501501408，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5010005001.=÷⨯，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4010002002.=÷⨯，实现被控对象的第二部分。

总硬件图
图3-4 总硬件图
4.大林算法控制系统算法设计
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：
T ,e )
s .)(s .()s (G s .=++=-τ501501408, 将代入，并进行Z 变换：[]
2212505012115501405025050118111-------------+---=z )e (z e )z c c ()z e )(z e )(e ()z (D ........ 式中 307050401
01114501.)e .e .(.c ..=-+
=--， 经计算 )
z .z .)(z .()z .)(z .(.)z (D 211118647013530104153136790128650135210-------+--=， 无振铃时，有，
1=z 24081121.z c c =+-）则（， 于是 ,)
z .z .()z .)(z .(.)z (D 2111864701353013679012865010870--------= 对应的递推公式为
则程序中 ,.kk ,.kk ,.kk 10540265440108700=-==
计算机实现的计算机公式推导
在4、1中得到了D(z)的最终表达式，而在本实验中，被控对象为
从而可以知道被控对象的时间常数为，增益K=8，根据T τ按11~23⎛⎫ ⎪⎝⎭
最大时间常数取值，取T τ=。

将各个参数代入计算：
KK0=，KK1=－，KK3=，PP1=－，PP2=，PP3=。

对应的递推公式：
u(k)=－(k-1)+ (k-2)+ (k-3)+(k)－(k-1)+ (k-2)
由于在二阶对象中是引起振铃的极点因子，令z=1，于是可以得到
u(k)=(k-1)+(k-2)+(k)－(k-1)+(k-2)
在程序中：KK0=，KK1=－，KK2=，PP0=，PP1=，PP2=0。

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，
s .T ,s 50=0.5==取，ττT 。

5.大林算法控制系统软件编程设计
主程序与中断流程图
主程序流程图：
图
采样中断服务程序流程图：
图
部分控制程序代码
1.主程序部分源码：
void main(void)
{
TMOD = 0x01;
t0_h = (65536-15536)/256; 采样中断程序的部分源码：
（1）判断同步信号程序：
DIN0 = 1; 验结果
无振铃
7. 小结与体会
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，它有利于我们全面牢固地掌握课堂教学内容、培养我们的实践和实际动手能力。

这次的课程设计，让我对《计算机控制技术》这门课和课程设计有了一个全新的认识，也有了很多的体会和心得。

《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，我对控制算法设计有了一个更深的认识，也学会了控制算法的实际应用，从整体上了解了计算机控制系统的实际组成，掌握了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。

通过这次的课程设计，我认识到任何课程的学习都需要理论结合实际，这样才能更好地掌握所学的知识并将它很好地应用于实践中。

同时，在实践过程中，可以通过查找资料、分析资料和请教老师和同学，使一些不清楚的问题得以解决，这样的话，可以起到事半功倍的效果。

当然，最关键的还是靠自己亲自去思考问题、解决问题，掌握独自面对各类的问题的方法。

总之，这次的课程设计给了我很多的体会和心得。

让我们有机会去锻炼和提升自己，收获很多。

参考文献
[1] 于海生主编，微型计算机控制技术，北京：清华大学出版社，2009
[2] 张艳兵等编着，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] 陈涛编着，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, 李光飞编着, 单片机课程设计指导, 北京: 北京航空航天大学出版社, 2007。