大林算法控制系统设计

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：

5

10

0.5 1.5(),

()(1)(0.81)

(1)(0.41)

s s

G s e G s e s s s s --=

=

++++8

8

10.5(),

()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)

s s

G s e G s e s s s s --==++++5

8

1.52(),

()(1)(0.21)

(0.81)(0.21)

s s G s e G s e s s s s --=

=

++++

5

5

12(),

()(0.81)(0.31)

(0.81)(0.21)

s s G s e G s e s s s s --=

=

++++

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 =+=-ττ1

1，

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

1

τΦ，

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：[]

2

212505012115050140502550118111-------------+---=z )e (z e )z c c ()

z e )(z e )(e ()z (D ........

式中 307050401

01

114501.)e .e .(.c ..=-+=--， 9338050401

014050151401502.)e .e .(.e c ..)

..(.=-+=--+-

经计算

)

z .z .)(z .()

z .)(z .(.)z (D 211118647013530104153136790128650135210-------+--=，

无振铃时，有，

1=z 240811

21.z c c =+-）则（， 于是 ,)

z .z .()

z .)(z .(.)z (D 2

111864701353013679012865010870--------= 对应的递推公式为

).k (e .)k (e .)k (e .)k (u .)k (u .)k (u 2105401654400870286470113530-+--+-+-= 则程序中 ,.kk ,.kk ,.kk 10540265440108700=-== 03864702135301===pp ,.pp ,.pp

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