《无波纹最少拍数字控制器设计》毕业学术论文.doc

PAGE 无波纹最少拍控制数字控制器设计 摘要 本文介绍了对一阶惯性环节控制对象,采用最少拍无纹波控制算法设计的一种数字控制器,并给出了用单片机AT89C51实现的方法。 关键词：最少拍无纹控制，数字控制器，脉冲传递函数，一节惯性环节 Abstract This paper describes a digital controller design that using DEAD-BEAT control method, it can be applied to first order inertia link ,and thus gives the design method using sigle chip microcomputer AT89C51. Keyword: DEAD-BEAT control ,digital controller,Pulse transfer function, first order inertia link 方案设计： 一、题目分析 根据题目要求，设计无波纹最小拍控制器。采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为，要求系统在单位斜坡输入时，实现无波纹最小拍控制，用离散设计法设计数字控制器。 二、控制系统设计 1、采样周期T的选择 当取采样周期T=1s时，经过理论验证，三拍后系统无波纹，达到无波纹输出时t=3s，满足控制器要求。 当取采样周期T=0.1s时，满足控制器要求且三拍系统无波纹，达到无波纹输出时t=0.3s，但考虑到AD转换器和DA转换器的转换时间和速率有限，故在满足性能要求的前提下，这里选择采样周期T=1s。 2、无波纹最小拍控制器的计算 （1）带零阶保持器的广义被控对象为通过matlab，z变换程序为 np=[0 0 10]; dp=[1 1 0]; hs=tf ( np, dp); hz=c2d(hs,1) 结果为 Transfer function: 3.679 z + 2.642 z^2 - 1.368 z + 0.3679 Sampling time: 1 即 （2）无波纹最小拍控制器D（z） 根据G(z)，对象有一个纯迟后因子v=1,一个零点，两个极点，单位速度信号,所以q=1，则闭环脉冲传递函数为 由 得系数，，则系统脉冲传函为 误差脉冲传函为 由得设计的控制器为 3、无波纹最小拍控制系统框图 控制系统整体框图 4、无波纹最小拍控制系统Matlab仿真 通过Matlab观察阶跃输入响应输出程序如下 num=[0.382 -0.364 0.0824]; den=[1 -0.407 -0.593]; dz=tf ( num, den,-1); sys1=dz*hz; sys2=feedback(sys1,1); step(sys2,20) 输出曲线如下 由图可见，3拍后输出跟上输入，可实现最小拍控制，T=1s满足要求。 5、无波纹最小拍控制系统simulink仿真 仿真结果为： （１）系统输入及系统输出曲线c(t)图形如下： （2）系统误差e（t）曲线如下： （3）控制器输出u（k）曲线如下： 通过仿真曲线看出： 控制器D（z）满足设计要求，系统在第三拍之后系统达到无差，最后控制器输出恒定（），因此系统输出不会产生波纹，调节时间为。 将得系统的差分方程为： 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ADC0809，数模转换芯片采用DAC0832。 系统结构总图 1、AD转换器 AD转换器选ADC0809, ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，内部具有锁存功能，故不需要加地址锁存器。ALE脚为地址锁存信号，高电平有效，三根地址线固定接地，由于地址信号已经固定，故将ALE接高电平。 系统只需要一路信号，选择IN-0通道作为输入。 START脚为AD转换启动信号，高电平有效，程序控制。AD采样值为系统的偏差信号，故选择ADC0809的为5V。 由于ADC0809的时钟所限，AD转换器的时钟信号，由单片机P2.1脚产生，将CLOCK脚接单片机的P2.1。由单片机产生500khz的时钟信号。单片机晶振可选择为12MHz。 EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。设计将其接单片机P2.2脚由程序读入，判断AD是否转换完成。AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连。 设计AD转换器的接口电路如图所示：