滞后校正控制器设计详解.docx

《计算机控制》课程设计报告仅供个人学习参考，禁止转载！题目:滞后校正控制器设计姓名: 学号: 2016年6月12日《计算机控制》课程设计任务书学号班级学生指导教师题目滞后校正控制器设计设计时间2016年6月5日至 2016年6月12日共 1 周设计要求设计任务：设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计滞后校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 速度误差系数； (2) 开环系统截止频率 rad/s； (3) 相位裕度 (4) 幅值裕度dB。方案设计：完成控制系统的分析、设计；选择元器件，完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图；编程实现单片机上的控制算法。报告内容：控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；软件流程图，以及含有详细注释的源程序；设计工作总结及心得体会；列出所查阅的参考资料。指导教师签字：系（教研室）主任签字：2016年6月12日设计过程解：（1）根据速度误差系数K＝30,求K。KV=s G0（s）=K=30（1）所以（2）（2）画出控制对象的Bode图（3）计算剪切频率，相角裕量。＝11.45rad/s（3）＝180°－90°－arctan（0.1）－arctan(0.2) ＝﹣25.3°（4）系统不稳定，不满足条件（4）求出相角裕量= ＋ε处的频率，为加控制器后的穿越频率。＝40°＋6°＝46°，相角裕量为46°时对应为2.7rad/s,满足穿越频率大于2.3rad/s的要求。（5）被控对象bode图在=2.7rad/s处的增益为21dB,求出b.﹣20lgb＝21,b＝0.09（5）（6）令＝~,求出T。取＝＝，bT＝3.7s，T＝41.1s（6）（7）此时滞后控制器为C（s）＝＝（7）校正后的开环传递函数G(s) ＝C(s)·(s) ＝·（8）（8）验证加控制器后的系统的性能指标。相角裕度＝41.3°≥40°，相位穿越－180°时的频率＝6.8rad/s幅值裕量＝﹣20lg | C(j)G(j) |＝10.5dB≥10dB,满足要求。使用MATLAB对滞后控制器函数和校正后的开环传递函数进行离散化。Go=tf(30,[0.02 0.3 1 0]) %定义原函数Gc=tf([3.7 1],[41.1 1]) %定义校正函数G=Go*GcGcz=c2d(Gc,0.05) %离散化函数Goz=c2d(Go,0.05)Gz=Goz*Gczfigure(1)margin(Go) %画被控函数波德图hold onmargin(G) %画被校正后函数波德图hold offfigure(2)sys1=feedback(G, 1); %加反馈step(sys1); %离散前单位阶跃响应hold onsys2=feedback(Gz, 1); step(sys2); %离散后单位阶跃响应hold off得到bode图如下：图1校正前后bode图离散化前后GoGc的阶跃响应输出:图2 离散化前后的阶跃响应图二、控制器脉冲传递函数生成及其matlab仿真根据控制系统快速性与稳定性的要求，选择采样周期为0.05s，对控制器采用双线性变换离散后的脉冲传递函数为：（9）再由simulink仿真离散控制器：图3仿真模型运行得单位阶跃输入下的输出为：图4阶跃响应输出曲线单位斜坡输入下的输出响应：图5单位斜坡响应输出曲线控制器差分方程设计根据控制器脉冲传递函数，可得u(k)= 0.9988u(k-1)+ 0.09000e(k)- 0.08881e(k-1)（10）三、控制器电路设计1、控制器控制器选择AT89C51单片机，晶振选择12MHZ。单片机外围电路如图1。图6单片机最小系统电路图2、AD转换器 AD转换器选择ADC0804, 它是8位CMOS连续近似的A/D 转换器。可输入差动模拟信号，Ui=Ui（﹢）－Ui（－）。本设计使用单端输入，将Ui（－）引脚接地，信号由Ui（﹢）引脚输入。INTR引脚与单片机INT0引脚连接，CS片选引脚接地，RD、WR引脚分别与单片机RD、WR引脚相连，DB0~DB7分别与单片机P1.0~P1.7相连。ADC0804可以选用内部时钟或外部时钟，本设计选用内部时钟信号，只需在CLK R及CLK IN引脚加上电阻及电容。电路如图2图7 ADC0804电路连接图3、DA转换器DA转换器选择DAC0832,它是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与MCS—51