扬州大学机控课程设计-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

100.5 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

eτ-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)

Tτ

=-。。

6. 闭环系统时间常数Tτ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

序号内容天数

1 布置任务，熟悉课题要求0.5

2 总体方案确定，硬件电路设计 1.5

3 熟悉实验箱及C语言开发环境，研读范例程序， 1

4 控制算法设计 1

5 软件编程，调试 1

6 实验 1

7 总结，撰写课程设计报告 1

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)

1.1程设计目的 (7)

1. 2程设计内容 (7)

1.3程设计要求 (7)

2 方案设计．................................................................................ . (8)

2.1控制系统整体方案 (8)

2.2控制系统闭环工作原理 (8)

3 大林算法硬件电路设计………………………………………………………………….… ..8

3.1A/D采样电路 (8)

3.2 D/A输出电路....................................... ... ... ... ... ... (10)

3.3给定对象硬件电路设计 (10)

3.4译码电路................................ ... .. (11)

3.5总硬件图................................ ... .. (12)

4 控制算法设计 (12)

4.1控制算法的原理 (12)

4.2采样周期 (12)

5 软件编程设计． (12)

5.1 主程序与中断流程图 (12)

5.2 部分控制程序代码 (13)

3.全局变量定义的源代码： (16)

6 实验结果与分析． (17)

7 小结与体会．............................................................... (17)

参考文献． (18)

附录. (19)

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： 0.5

5

G s (1)(0.81)

s e

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~

2

3??

???

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

2.1控制系统总体介绍

图2.1-1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

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﹒﹒﹒﹒）。 2.2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

3.1 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~4.98V，对应数字量为00H~FFH，2.5V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~+4.98V,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）。

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。

3.2 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。

3.3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： 0.5

5

G s (1)(0.81)

s e

s s -++（）=

，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4×200÷1000=0.8，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4×250÷1000=1，实现被控对象的第二部分。

延迟通过数组来实现，滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N 个单元作为存放信号m(k)的历史数据，每采样一次，把m(k)记入0单元，同时0单元原来存放的数据移到1单元，单元N 输出的信号，就是滞后N 个采样周期的m(k-N)信号。

3.4 译码电路

图3-4 译码电路

3.5总硬件图

见附录图 总硬件图

4.大林算法控制系统算法设计

4.1 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： 0.5

5

G s (1)(0.81)

s e

s s -++（）=

,

将代入，并进行Z 变换：()-0.5/0.3

0.5/1

1

0.5/0.81

1

-0.5/0.3

1

-0.5/0.3

2

12(1-)(1)(1)

()51--1-z

e e

z e z D z c e e

---------=

??

+?

?

（c z ）

z

式中 0.5/1

0.5/0.8

111(10.8

)0.1084

0.81c e e --

=+-=-

， 0.5(1110.8)

0.5/0.8

0.5/1

21

(10.8)0.0745

0.81

c e e

e

-+--=+

-=

- 经计算

1

1

1

1

2

1.4967(10.6065)(10.5353)()(10.687)(10.18980.811)

z z D z z z

z -------=

+--，

无振铃时，有，

1=z 1

120.1829c c z -+=则（）， 于是对应的递推公式为

u(k)=-0.4981u(k-1)+0.9409u(k-2)+0.5573u(k-3)+1.4967e(k)-1.7089e(k-1)+0.4859e(k-2) 则程序中

KK0=1.4967,KK1=-1.7089,KK2=0.4859，PP1=-0.4981,PP2=0.9409,PP3=0.5573 4.2 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 。

因为，()()()()(1)y k m k m k N m k m k τ=--==-因为采样周期T=500ms=0.5s ，定时中断为0.5s ，就是说1个定时中断后进行采样。

5.大林算法控制系统软件编程设计

5.1 主程序与中断流程图 主程序流程图：

设定时器工作状态

定时器装入初值

设定外中断类型

开外中断和定时器中断

启动定时器

D/A清零

变量清零

图5.1-1

采样中断服务程序流程图：

图5.1-2

5.2 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; //计算定时器0初值

t0_l = (65536-15536)%256;

t0_l = t0_l+20; //修正因初值重装而引起的定时误差

TH0 = t0_h;

TL0 = t0_l;

IT1 = 1; //边沿触发中断

EX1 = 1; //开外部中断1

ET0 = 1; //开定时中断0

TR0 = 1; //启动定时器

TC = 1;

DAC_1= 0x80; //D/A清零

UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0; //变量清零

EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0;

RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0;

bb = 0;

EA = 1; //开总中断

FLG = 0;

DOUT0 = 0;

while(1);

}

主程序的功能主要是：对定时器的赋值、开外中断、初始各变量，其中while(1)是使主程序进入死循环，等待中断到来。

2. 采样中断程序的部分源码：

（1）判断同步信号程序：

DIN0 = 1; //读取输入前，先输出高电平

if(DIN0) //判同步信号到否

{

UK = UK_1 = UK_2 = UK_3 = 0;

EK = EK_1 = EK_2 = EK_3 = 0;

RK = RK_1 = RK_2 = RK_3 = 0;

DAC_1 = 0x80; //D/A输出零

TC = 1;

}

（2）双通道采样：

{

TC--; //判采样周期到否

if(TC==0)

{

if(FLG==0)

{

RK=ADC_7-128; //采样当前的给定值

DOUT0 = 1;

FLG = 1;

TC = TK;

}

else

{

FLG = 0;

UK = ADC_7-128; //采样当前的输出值，并计算偏差的变化量DOUT0 = 0;

EK = RK-UK;

EK_1 = RK_1-UK_1;

EK_2 = RK_2-UK_2;

EK_3 = RK_3-UK_3;

i=KK*0EK*+KK1*EK_1+EK_2*KK2

j = PP1*UK_1 + PP2*UK_2 + PP3*UK_3;

UK = G*i + j;

if(UK>0) //判控制量是否溢出，溢出赋极值{

if(UK>127)

aa = 127;

else

aa = (char)UK;

}

else

{

if(UK<-128)

aa = -128;

else

aa = (char)UK;

}

DAC_1 = bb+128; //D/A输出控制量

bb =aa ;

UK_3 = UK_2; //控制量递推

UK_2 = UK_1;

UK_1 = UK;

EK_3 = EK_2; //偏差递推

EK_2 = EK_1;

EK_1 = EK;

TC = TK; //采样周期变量恢复

}

}

}

}

双通道采样原理说明：由于在主程序中，将DOUT2置“0”，已经选择了采样通道IN6，第一次进行A/D 转换时，对给定信号进行采样，并将采样值存储在RK中，同时将DOUT2置“1”，这时将A/D通道IN7选中，等待采样周期到时，则采样反馈信号，并将采样值存储在UK1中，在变量定义中，已经将P1.6定义为DOUT2，故改变DOUT2值就改变了P1.6。

中断程序实现的功能：对给定信号进行采样，并将采样值存储在RK中，同时将DOUT2置“1”，将A/D 通道IN7选中，待采样周期到时，则采样反馈信号，并将采样值存储在UK1中，接下来便是计算偏差E(k)，计算U(k)，将值通过端口DAC_1在下一周期到来时输出；再次在该中断程序中，增加一个变量bb1,用于存储前一周期的输出值，这样使得输出量能够延迟1秒输出；最后就是通过递推公式，计算实现输出信号的不断优化。该程序实现的功能是对定时器的重新装值，同时，当采样周期到时，启动A/D，用于对转换反馈信号进行A/D转换。

3.全局变量定义的源代码：

sbit str = P1^7; //定义A/D启动信号

sbit DIN0 = P1^0; //声明同步信号

sbit DOUT0= P1^4; //用于控制采保产生纯滞后一拍

sbit DOUT1= P1^5;

uint data time; //声明变量，用于定时

uchar data t0_h,t0_l; //用于存储定时器0的初值

int TK=100; //声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10ms

int TC; //TK的变量

float KK0=1.4967 ; //系数kk0

Float KK1 = -1.7089; //系数kk1

float KK2=0.4859; //系数kk2

Float PP1= -0.4981 ; //系数pp1

float PP2=0.9409; //系数pp2

float PP3 = 0.5573 ; //系数pp3

float G = 1; //增益调整

float UK;RK; //当前时刻的D/A输出

int j,i,a[2]; //当前时刻的偏差

int EK,EK_1,EK_2,EK_3; //前3次采样时刻的控制量和偏差

float UK_1,UK_2,UK_3;RK_1,RK_2,RK_3;

6.实验结果

7.小结与体会

为期一周半的机控课程设计已然结束，在我们小组的团结合作下，我们圆满完成了课程设计的任务。

实验的前两天，我们在实验室中每个对课程设计的任务和要求做了详细的阅读和分析，并且到网上和图书馆查阅了相关的资料和文献，对此次课程设计有了一个大概的了解和掌握。紧接着，我们开始利用软件进行一些初步的摸索和试验，部分同学开始进行程序的编写，此时，我们便遇到了第一个困难，在老师的指点和同学的帮助下，我们静下心来仔细分析冗长和复杂的程序，将程序分块了解其结构和作用，然后将已有程序的功能与此次设计程序的功能进行对比和参照，进而我们在已有程序上进行调整和参数的修改。每次修改完，我们都会进行相应的硬件模拟，开始时结果很不尽如人意，但是后来我们一步步修改，一点点改进，随着双通道的实现，随着延迟的成功设置，实验结果终于开始向理想的方向发展。在最后的几天中，我们对设计进行进一步的修改，最后终于使接近的波形达到完全理想的情况，同时也宣告了此次课程设计的完成。

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联系实际，这样才能更好地掌握所学的知识并将其很好地应用于实践中去。同时，在实践的课程中，可以通过多种方式来使一些问题得到有效解决，但是最关键的还是要靠自己亲自去思考问题、解决问题，掌握独自解决各类问题的方法。在次实习期间，我

们失落过，也曾一度热情高涨，最后实验结果的成功都让我们无比的欣慰，但我们还只是领略到了做科研和研究产品的辛劳艰苦中的冰山一角。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，必须发扬团结合作的精神。每个人都应在设计中独立成长，但作为一个小组，我们更协调彼此，分工合作，互相鼓励和指导。在这次设计中，我看到了我们组员有时的沮丧和失落，我能做的就是为他们鼓舞打气，不时关心，让他们在轻松的氛围中完成任务。在此，我也要感谢我们组员对我的关心和理解，不曾对我在此期间的分心有所抱怨，还开导我，鼓励我。对我们而言，知识上的收获必然重要，精神上的丰收更加可贵，面临毕业的关头，这次实习又拉近了我与朋友间的友谊，必将成为我人生旅途上一次美好的回忆！

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] 张毅刚主编，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2004

[3] 夏扬,李敏艳,蒋步军主编,计算机控制技术实验指导书,

附录：

总硬件图