小功率随动系统设计报告(DOC)

一、数控系统设计任务

1.依据动态指标要求，设计系统参数，并选择校正方法；

2.得到离散域的校正算法；

3.用单片机实现控制算法及显示等要求。

二、实验设备及软件环境

1.MATLAB仿真

•对系统建模、仿真

•得到阶跃、脉冲等响应图形

•根轨迹绘制

2.uVision2编程环境

•启动uVision2,创建一个项目

•创建新的源文件

•添加配置启动代码

•为目标设置工具选项

•编译项目,创建hex文件

3.S51ISP软件

•S51系列单片机的在线编程软件。

•安装软件后，

1)打开S51ISP下载软件，右侧方框显示：初始化并口完成；

2)单击擦除器件，显示擦除器件完成；

3)单击打开文件，装载.hex文件或.bin文件，显示读入文件xxxxxxx到缓冲区1xxxxx

字节；

4)单击（自动）写器件，显示写器件完成。

5)至此，程序正常下载到器件中。

三、数字控制器设计与仿真

1.原系统模型

系统闭环传递函数：

Φ

2. 根据经验设计PID 校正环节

由于以前做过PID 相关控制环节，对PID 各项意义比较了解，故根据经验及实际系统调试得到PID 校正器：D （z ）＝3.4-2z -1（一阶后差变换法D （s ）=1.4+0.032s ）对应比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2、积分系数为0

调试依据：

• 比例P 项增大使开环增益提高，调节作用变强，上升时间变小，闭环中产生恒定

的稳态误差，而且P 值越大，稳态误差越大。但是在此系统中P 项增大会使系统静态误差减小（即增大K1）。

• 微分项增大使上升时间变大，产生一定延时，但是可以消除振荡；

• 积分项增大使上升时间变小，并且消除控制器的稳态误差，但是会加大系统的振

荡性。

系统未加PID 校正器时，K1＝2上升时间较小，静态精度均满足要求，但是有一定振荡，系统动态参数不满足要求。故不加积分I 校正，只采用PD 校正，经调试得比例系数Kp=1.4、微分系数Kd=2时，控制效果较好。 3. 加入PD 校正环节后系统模型

系统闭环传递函数：

272.373166

()119.53166

s s s s +Φ=

++

4. 仿真结果：

未加校正未加采样阶跃响应 未加校正加采样阶跃响应

调节时间ts=389ms 、超调σ％=19.76% 调节时间ts=624ms 、超调σ％=43.12％，

对应ξ=0.4587、ωn=25.2220 对应ξ= 0.2586 ωn= 27.8819

加PD校正阶跃响应

调节时间ts=227ms、超调σ％=0% 满足ξ≥0.9 ωn≥20 rad/s对应调节时间ts<250ms，

超调σ％<0.1524%的动态特性要求。

5.根轨迹验证：

未加校正开环根轨迹及K=1时系统闭环极点位置

加PD校正后开环根轨迹及K=1时系统闭环极点位置

可得未加校正时系统根轨迹有处于实轴外部分，且当K＝1时有闭环极点-23.6±41.5i，动态参数不满足要求，有较大超调。PD校正环节为在原系统两极点之间加入一零点-43.7，使得根轨迹均处于实轴上，故无论K取多少系统都没有超调。加入PD校正后系统动态参数满足要求。

四、数字控制系统组成和工件原理

单片机系统硬件框图如下图

1.CPU

•定时/计数器：

1)做定时器使用时，对振荡源的12分频的固定脉冲计数。

2)与之相关的特殊功能寄存器包括：计数寄存器TH和TL、控制寄存器TCON、

方式控制寄存器TMOD、等。

3)定时/计数器工作方式：方式0、方式1、方式2、方式3。

4)定时/计数器的初始化：

初始化步骤：

a)确定工作方式——编成TMOD寄存器；

b)计算计数初值，并装载到TH和TL寄存器；

c)定时/计数器在终端方式工作时，开CPU中断和源中断——编程IE寄存器；

d)启动定时/计数器——编程TCON中的TR1或TR0位。

5)计数初值的计算：

a)计数功能：X= 2n -计数值n：8/13/16

b)定时功能：X= 2n - t/T

t：定时时间（s）T：机器周期＝12/晶振频率

•中断入口表：

1)中断响应条件：

a)有中断请求信号

b)系统处于开中断状态

2)中断响应过程：

c)保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前PC值入栈。

d)寻找中断源：中断服务程序硬件入口®PC，转入中断服务。

e)中断处理：执行中断源所要求的程序处理段。

f)中断返回：执行RETI指令，栈顶内容®PC，程序跳转回断点处。

2.A/D转换

•使用ADC0809采集两路信号，一路为位置信号，采集后送到显示器显示；另一路为误差信号，用于进行控制算法的输入。

•ADC 0809为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。

其结构如下图所示。

A/D转换器0809的内部结构ADC 0809与单片机连接

•操作过程：

1)连线：片选端CS5接20-27

2)选中通道及片选和地址所存使能软件操作：向端口（地址为1B20~1B27）写数

据（虚写）启动转换；收到转化结束信号后读取数据。

3.D/A转换

•使用DAC 0832完成控制算法计算值的输出；

•DAC 0832是8位双缓冲器结构的D/A转换器，其输入寄存器和转换寄存器分别分配各自的地址，可分别选通同时输出多路模拟信号；

•也可PWM方法完成D/A输出。

DAC0832内部结构图DAC 0832与单片机连接

•操作过程：

1)连线：片选端CS6接28-2f，输出端为AOUT；

2)软件操作：向输入寄存器端口（地址为1B28）写数据；

3)向DAC寄存器（地址为1B29）写数据启动转换。

4.显示

•使用由发光二极管组成的LED显示器

1)不同的发光段亮可组成不同的字型（字型表在后）。

2)电流大，耗电量大；电流小，发光量不够。一般设计时，其工作电流一般选为

10mA。

3)LED数码管显示器一般分为共阳极和共阴极。

•使用8279作为显示器的控制芯片。

特点：

1)8279是可编程的键盘显示接口芯片；

2)自动完成键盘的扫描输入，自动清除按键抖动；

3)自动完成LED扫描显示。

组成：

1)I/O控制和数据缓冲器;

2)控制和定时寄存器及定时控制部分;

3)扫描计数器;

4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路;

5)FIFO（先进后出）寄存器和状态电路;

6)显示器地址寄存器及显示RAM。

•数码管原理图、外形图及段码表