史密斯预估控制系统设计.docx
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史密斯预估控制系统设计
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扬州大学
水利与能源动力工程学院
课程设计报告
题目:
史密斯预估控制系统设计
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:
电气1101
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
史密斯预估控制系统设计
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:
PID控制加史密斯预估控制。
3.软件设计:
主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输
出程序等。
四、课程设计要求
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)。
每个同学选择不同的被控对象:
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(0.8s+1)(0.4s+1)
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(0.8s+1)(0.3s+1)
对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。
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(0.8s+1)(0.2s+1)
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2s
G(s)e2s
(0.8s+1)(0.2s+1)
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。
4.
五、课程设计实验结果
1.控制系统能正确运行。
2.正确整定PID参数后,系统阶跃响应的超调<15%
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
1课题简介1
1.1课题的目的,任务,要求1
1.2课程设计内容1
1.3课程设计要求1
2史密斯预估控制系统方案设计2
2.1史密斯预估控制器的介绍2
2.2控制系统框图及闭环工作原理2
3史密斯预估控制系统硬件电路设计3
3.1总体硬件电路图3
3.2A/D采样电路3
3.3输入双极性的实现3
3.4D/A输出双极性的实现4
3.5A/D、D/A端口地址的转换5
3.6给定被控对象的电路实现5
4史密斯预估控制系统控制算法设计6
4.1史密斯预估控制的基本原理6
4.2史密斯预估控制的算法实现6
4.2.1史密斯预估器6
4.2.2计算公式推导7
5史密斯预估控制软件编程设计8
5.1各程序流程图及其主要功能8
5.1.1主程序流程图及其功能8
5.1.2定时中断程序流程图及其功能9
5.1.3外部中断程序流程图及其功能9
5.2重要程序的实现10
5.2.1function程序10
6史密斯预估器的MATLAB仿真11
6.1史密斯预估器的simulink仿真方框图11
6.2PID参数设置11
7实验与结果分析12
7.1上机调试结果12
7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形12
8小结与体会13
参考文献14
附录15
1课题简介
1.1课题的目的,任务,要求
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:
PID控制加史密斯预估控制。
3.软件设计:
主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输
出程序等。
1.3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.
G(s)=
5
(s1)(0.2s1)
-1.5s
每个同学选择不同的被控对象:
4.对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。
5.定时中断间隔选取10ms,采样周期T取50ms,为采样中断间隔的整数倍。
6.PID控制器可用凑试法整定。
2史密斯预估控制系统方案设计
2.1史密斯预估控制器的介绍
在工业过程(如热工、化工)控制中,由于物料或能量的传输延迟,许多被控制对象具有純滞后性质。
对象的这种純滞后性质常引起系统产生超调或振荡,史密斯提出了一种純滞后的补偿模型,利用微型计算机可以方便地实现純滞后补偿。
史密斯预估控制原理是:
与调节器并联一补偿环节,用来补偿被控对象中的純滞后部分,这个补偿环节称为预估器,其传递函数为G(S)(1-e-Ts),t为純滞后时间,由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为純滞
后补偿器,经补偿后的系统闭环传递函数为
这一形式说明,经补偿后,消除了純滞后部分对控制系统的影响,因为式中的e-Ts在闭环控制回路之外,
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A/D采样电路如图
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图2A/D采样电路的实现
2所示,IN6和IN7两路采样,IN6采样给定值r(k),IN7采样输出y(k)。
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不影响系统的稳定性,拉氏变换的位移定理说明,仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间T,控制系统
的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为Gp(S)时完全相同。
2.2控制系统框图及闭环工作原理
图1带史密斯预估器的控制系统
带史密斯预估器的双通道采样闭环控制系统框图如图1所示,在该系统中,对给定值r(t)进行A/D转换
采样,得到离散化的r(k),并且对输出值y(t)也进行A/D转换,得到y(k),然后计算e*k)=r(k)-y(k)。
u(t)为输出的控制量,采样u(t)、yt(t),计算e2(k)=ei(k)-yt(k),D(s)为计算机控制系统的脉冲传递函数,通过与调节器并联的补偿环节来补偿被控对象中的純滞后部分,再对包含零阶保持器的被控量进行控制进而达到要求的控制目的。
3史密斯预估控制系统硬件电路设计
3.1总体硬件电路图
总体硬件电路图见附录。
3.2A/D采样电路
3.3输入双极性的实现
IN-6
IN-7
为0V时,进入A/D转换的电压为2.5V;当输入IN7的电压为-5V时,进入转换的电压为到外端口的电压Uout和进入转换的电压Uin的关系旦
的电压可以实现转换的功能,模拟量的输入允许范围为:
3.4D/A输出双极性的实现
IN7端口加上-5V~+4.96V00H~FFH0V对应80H。
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图3输入双极性实现电路
由图3可知,输入通道IN6和IN7加了阻值为10K的电阻。
IN1~IN5的模拟量输入允许范围:
0V~4.98V,对应数字量范围00H~FFH2.5V对应80H。
而IN6和IN7两路由于接上了上拉电阻,所以当输入IN7的电压
0V。
就是说,输入
是Uin=(Uout+Vcc)/2,因此在-5V~+4.96V,对应数字量
输出双极性实现电路
图4为双极性的输出电路,该电路通过放大器和电阻、变阻器等实现输出的双极性。
本次课程设计只用
了一路输出,即OUT-A以此为例可知,R31左端的电压为转换输出的单极性电压Vi,该电压的大小为,这就是原本单极性输出的正常电压。
但是加上上图所示的电路之后,设输出电压为0UT-1,因为右边的放大器3号端接地,所以2号端也虚地,即电压为0V。
又因为放大器2号端向右可以认为是断路,电流为0,所以,有:
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7 8曲 15 直Zqf厂 7ILS139 7 4JlflYft 3ncYi 那么就有输出的电压,综上,实现了 3.5A/D、D/A端口地址的转换 D/A转换的双极性输出。 GHT-l|—GND SK74ACWWVCCVCC 图5A/D、D/A端口地址的转换电路 图5所示为A/D、D/A端口地址的转换电路。 由图可知,8051的P2口作为高八位地址,P0口作为低八 位地址,P2口分别命名为A20~A27,其中A20、A23~A27经过反相器SN74AC241DWt出/A20、/A23~/A27,再经过三个与门U10U11、U12,然后通过一个三输入与非门输出ANDOU,T接入2-4译码器74LS139的/OE端,选中译码器,由此高八位地址为06H,P0口分别命名为D0~D7经过锁存器SN74LS373输出Q7、Q8,当D6=0, D7=0时,Q7=Q8=0此时译码器/Y0有输出,即/IOY0有效,低八位地址为00H,则总地址为0x0600H,为A/D 的端口地址;当D6=1,D7=0时,Q7=1,Q8=0,此时译码器/Y1有输出,即/IOY1有效,低八位地址为40H, 则总地址为0x0640H,为D/A的端口地址。 综上,实现了A/D和D/A的端口地址的转换。 3.6给定被控对象的电路实现 2uF RU.— 200K I'- out-1^12. 50K GND-||- RI2 —T—1 250K GND<|| VCC 十 luF 50DK rh- IN-7 G(s)= L 7LCS4 ■I 3 + TL0S4 VCC 图6给定被控对象的电路实现 课程设计任务书中有8个被控对象,我们每人取其中一个被控对象。 被控对象为 -1.5s e (s1)(0.2s1) 其硬件电路图如图6所示,左边的放大器上并联了Rii=200K的电阻,Cio=2uF的电容来实现时间常数Ti=0.4s,输入电阻Rio=5OK,通过Rii/Rio=4,实现放大系数Kpi=4的要求,右边的放大器上并联了Ri3=500K和Cii=1uF实现时间常数T2=0.5s,然后通过Ri3/Ri2=2实现放大系数Kp2=2的要求,从而实现总的放大系数K=Kpi*Kp2=8。 4史密斯预估控制系统控制算法设计 4.1史密斯预估控制的基本原理 史密斯预估控制原理是: 与调节器D(S)并联一补偿环节,用来补偿被控对象中的純滞后部分,这个补偿环节称为预估器,其传递函数为G(S)(1-e-Ts),t为純滞后时间,由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为純滞后补偿器,经补偿后的系统闭环传递函数为 这一形式说明,经补偿后,消除了純滞后部分对控制系统的影响,因为式中的e-Ts在闭环控制回路之外, 不影响系统的稳定性,拉氏变换的位移定理说明,仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间T,控制系统 的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为Gp(S)时完全相同。 4.2史密斯预估控制的算法实现 对于具体的被控对象,如,要实现对它的计算机控制算法的设计需要经过一系列的计算。 4.2.1史密斯预估器 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,存储单元的个 数N由下式决定: N=t/T 式中,T――純滞后时间;T――采样周期。 每采样一次,把m(k)记入0单元,同时把0单元原来存放数据移到1单元,1单元原来存放数据移到2 u(k) Gp(S) m(k) e-t m(k-N) 单元……依此类推。 从单元N输出的信号,就是滞后N个采样周期的m(k-N)信号 图7史密斯预估器方框图 史密斯预估器的输出可按图7的顺序计算。 图中,u(k)是PID数字控制器的输出,*(k)是史密斯预估器 的输出。 从图中可知,必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后,才能计算预估器的输出。 屮(k)=m(k)-m(k-N) 被控对象为二阶环节和純滞后环节的串联: GC(s)=Gp(s)e」-e」.5s A (s1)(0.2s1) 预估器的传递函数为: 4.2.2计算公式推导 对GP(s)= (s1)(0.2s1) (1-e 45s)进行离散化,得 ⑴采用零阶保持器离散化 ①25],从而有 M(z)=1.73M(z)z‘-0.7408M(z)z,0.0285U(z)z‘0.025-U(z)z=即 m(k)=1.73m(k-1)-0.7408m(k-2)0.0285u(k-1)0.0255u(k-2),滞后时间常数t=1.5s,采样周期 选择T=50ms=0.05s,则,所以y(k)二m(k)-m(k-N)二m(k)-m(k-30),以上就是预估控制所要的控 制式。 ⑵采用双线性变换法离散化 对GP(s"(s1)(0.2s厂严进行离散化,得 55[0.01340.0271Z」0.0027z^ Gp(z)=GP(s)s2z±=[]=[]=12, s〒z1(s1)(0.2s1)s2ZJ(s1)(0.2s■1)s2zj1_1.729z」0.7398z* rz卑-0.05 又,交叉相乘再移项,得 M(z)=1.729M(z)z1-0.7398M(z)z,0.0134U(z)0.0271U(z)zJ0.0027U(z)z^,即 m(k)=1.729m(k-1)-0.7398m(k-2)0.0134u(k)0.0271u(k-1)0.0027u(k-2),t=1.5s,采样周 期选择T=1=50ms=0.05s,则,所以y(k)=m(k)-m(k-N)=m(k)-m(k-30),以上就是预估控制所要的控制式。 采样周期选择T=50ms,定时中断选择为10ms,就是说5个定时中断后进行采样。 5史密斯预估控制软件编程设计 5.1各程序流程图及其主要功能 5.1.1主程序流程图及其功能 8所 D/A 图8主程序流程图 图8所示为主程序流程图,由此可见,主程序主要实现系统初始化和变量初始化的操作,具体如图示,包括设定定时器工作状态、定时器装入初值、设定外中断类型、开外中断和定时中断、启动定时器、清零、变量清零等内容,以上操作完成后就等待进入中断。 图9定时器中断程序流程图 由图9可知,定时中断程序实现的功能有两个,一是重新装入定时初值;二是启动换外部中断。 A/D转换进而进入转 5.1.2定时中断程序流程图及其功能 5.1.3外部中断程序流程图及其功能 外部中断服务程序实现了采样和计算输出控制量的功能。 首先检查同步信号是否到,如果同步信号已到, 就把变量清零、D/A输出清零、采样周期变量赋初值并给滞后环节数组清零;如果同步信号未到,就检查是 否到了采样周期。 如果到了采样周期,就进入下一步的采样和计算,即依次采样IN7、IN6,计算偏差,根据 史密斯预估控制推导的公式计算m(k)、y(k)及控制输出u(k),然后检查控制量是否溢出,若溢出则取相应 的最值。 然后输出控制量,最后进行控制量和偏差的递推和采样周期恢复,并返回。 5.2重要程序的实现 5.2.1function程序 functionsys=mdlOutputs(t,x,u,Kp1,KI,Kd) globalukMKMK_1MK_2MK_3MK_4MK_5MK_6MK_7MK_8MK_9MK_10MK_11MK_12MK_13MK_14MK_15MK_16MK_17MK_18MK_19MK_20MK_21MK_22MK_23MK_24MK_25MK_26MK_27MK_28MK_29MK_30uk_1uk_2ek1ek2ek2_1ek2_2 ek1=1.13*u (1)-u (2); MK=1.73*MK_1-0.7408*MK_2+0.0285*uk_1+0.0255*uk_2; DELAY=MK_30; YK=MK-DELAY; ek2=ek1-YK; uk=Kp1*ek2-Kp1*ek2_1+KI*ek2+Kd*ek2-2*Kd*ek2_1+Kd*ek2_2; MK_30=MK_29; MK_29=MK_28; MK_28=MK_27; MK_10=MK_9 MK_9=MK_8; MK_8=MK_7; MK_7=MK_6; MK_6=MK_5; MK_5=MK_4; MK_4=MK_3; MK_3=MK_2 MK_2=MK_1MK_1=MK;uk_2=uk_1; uk_1=uk; ek2_2=ek2_1ek2_1=ek2; sys=uk; MK_27=MK_26;MK_11=MK_10; MK_26=MK_25; MK_25=MK_24; MK_24=MK_23; MK_23=MK_22; MK_22=MK_21; MK_21=MK_20; MK_20=MK_19; MK_19=MK_18; MK_18=MK_17; MK_17=MK_16; MK_16=MK_15; MK_15=MK_14; MK_14=MK_13; MK_13=MK_12; MK_12=MK_11; 6史密斯预估器的MATLAB仿真 MATLAB^ 本次课程设计使用的仿真软件是MATLAB所有的元器件的搭建和软件的仿真与调试都是在 现的,下面将介绍史密斯预估器的仿真过程。 6.1史密斯预估器的simulink仿真方框图 图11史密斯预估器的simulink仿真方框图 6.2PID参数设置 PID参数采用凑试法整定,最终的整定结果如下图所示 图12PID参数设置 7实验与结果分析 7.1上机调试结果 以下为针对以上介绍的例子,在成功时的输出波形图。 7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形 Q? 06 05 图13采用零阶保持器离散化时的输出波形 由图13可以看出,经调试后,对被控对象的控制输出超调为,满足d%<15%的要求,且上升时间、调 节时间等较短,静差几乎为零,性能指标较好。 8小结与体会 经过一周半的时间,本次课程设计终于结束了,本次课程设计我们的题目是史密斯预估控制系统设计,刚开始的时候我们对这个课题是毫无头绪,完全不知道是什么意思,当然之前对史密斯预估有所耳闻,因为之前学过,不过学的不精,就跟天书一样,夏老师说我们这组实力比较强,这个课题也是最难的,这样安排比较合理,开始我们什么也不知道所以
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- 史密斯 预估 控制系统 设计
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