计算机控制系统课程设计

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1、《计算机控制》课程设计报告题目:超前滞后矫正控制器设计姓名:学号:10级自动化2013年12月2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超前滞后矫正控制器设计设计时间2013年11月25日至2013年12月2日共1周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）13．超前滞后校正设计设单位反馈系统的开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。方案设计：1.完成控制系统的分析、设计；2.选择元器件,完成电路设

2、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；3.编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1.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；2.元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；3.软件流程图，以及含有详细注释的源程序；4.设计工作总结及心得体会；5.列出所查阅的参考资料。指导教师签字：系（教研室）主任签字：2013年11月25日1.控制系统分析和设计1.1实验要求设单位反馈系统的

3、开环传递函数为，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。1.2系统分析（1）使系统满足速度误差系数的要求:(2)用MATLAB画出的Bode图为：由图可以得到未校正系统的性能参数为：相角裕度，幅值裕度,剪切频率为：，截止频率为（3）未校正系统的阶跃响应曲线可以看出系统产生衰减震荡。（4）性能分析及方法选择系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec穿过0dB线。如果只加入一个超前校正

4、网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。1.3模拟控制器设计（1）确定剪切频率过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为，令。（2）确定滞后校正的参数,,并且取得,则滞后校正的控制器为此时系统的响应曲线为：滞后校正后的性能参数为：相角裕度，幅值裕度,剪切频率为：，截止频率为系统仍需要进行超前校正（3）确定超前校正的参数在图中过（，0dB）作-20dB/

5、dec线，与原先的Bode相交，交点的角频率为：,,超前矫正控制器的传递函数为：（4）超前滞后校正同时作用时系统的Bode图：相角裕度，幅值裕度,剪切频率为：，截止频率为校正后的系统性能已经满足了性能指标要求。(5)画出校正后系统的阶跃响应曲线（6）设计好的控制器传递函数为：1.4用模拟法设计数字控制器（1）模拟控制器离散化采用双线性变换法。（2）采样周期选择取采样周期T=0.01s,因为考虑到A/D，D/A转换的时间以及单片机计算的时间，采样时间不能选的太小，但是为了保证离散控制器的控制仍能满足性能指标的

6、要求，采样时间不能取得太大。取采样周期为10ms,给程序运行留下了足够的时间，而且由后面可见控制效果仍满足性能指标要求，所以取采样周期为10ms。（3）将模拟控制器离散化离散化后得脉冲函数为：(4)被控对象离散化离散化的被控对象为：（5）绘制出离散系统的Bode图相角裕度，幅值裕度,剪切频率为：，截止频率为离散化的控制器仍旧满足性能指标的要求，设计合理。(6)离散系统的阶跃响应曲线：（6）数字控制器的脉冲传递函数：1.5控制系统的编排结构（1）编排结构的选择如果使用直接型编排结构，如果控制器中任一系数存在误

7、差，则将使控制器所有的零极点产生响应的变化，严重影响系统的性能。在控制器设计时采用了超前滞后校正，所以采用串联型结构比较简单，而且任何一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。因为有复数零点，故可以写成（2）转换为差分方程的形式：0.9715可以通过一个比例环节实现，可以不用考虑。只需在设计好的控制器上加个比例因子即可。2.硬件电路设计2．1元器件选择(1)控制器选择选择8051单片机，外接晶振为2MHz.(2)A/D选择选择ADC0809,该AD有8路输入通道，8位A/D转换器，分辨率为8位，

8、转换时间为，（时钟为640KHz时），（时钟为500KHz时）；单个+5V供电，模拟输入电压范围为0到5V,不需要零点和满课度校准；内部没有时钟，所以需要外接时钟，时钟从单片机的ALE引脚引出。在经过两个D触发器分频，从而达到500KHz的时钟信号。D触发器选择74LS174。A/D转换时间为，应该能满足设计的要求。(3)D/A选择选择DAC0832，分辨率为8位；可单缓冲，双缓冲或者直接数字输入；只需要在满量程