计算机控制系统课程设计--最小拍控制设计

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1、 1 计算机控制课程设计报告 题目: 无波纹最小拍控制设计 2011 年 7 月 5 日 2 计算机控制课程设计任务书 专 业 学 生 题 目 无波纹最小拍控制设计 设计时间 2011 年 7 月 5 日 至 2011 年 7 月 11 日 共 1 周 设计要求 设 计 任 务 ： 采用 零 阶 保持 器 的 单 位反 馈 离 散系 统 ， 被控 对 象 为 )1( 10 )( ss sG p ，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。 方案设计： 1. 采用 Matlab 完成控制系统的建立、分析、设计和模拟仿真； 2. 选择元器件,完成电路设计，控制器

2、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. 控制算法采用单片机汇编语言编程实现（应通过编译，无语法错误） 。 报告内容: 1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含 Matlab 仿真的性能曲线、采样周期 T 的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式； 2. 元器件选型过程，电路设计过程，绘制的 Protel 原理图； 3. 算法流程图，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： 2011 年 7 月 5 日 3 方案设计： 一、题目分析

3、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 )1( 10 )( ss sG p ，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

4、 （1）带零阶保持器的广义被控对象为 Gs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 - z2 - 1.368 z + 0.3679 Sampling time: 1 即 2 3.679z2.642 G (z)= 1.3680.3679zz （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 1 0.718b ，两个极点，单位 速度信号 2l ,所以 q=1，则闭环脉冲传递函数为 4

5、111 01 ( )(10.718)()zzzz 由 01 (1)(10.718)() 01 (1)2.4364.154 得系数 0 1.407 ， 1 0.825 ，则系统脉冲传函为 111 ( )1.407(10.718)(10.586)zzzz 误差脉冲传函为 121 ( )(1) (10.593) e zzz 由 * z e D G 得设计的控制器为 2 2 0.3820.3640.0824 ( ) 0.4070.593 zz Dz zz 3、无波纹最小拍控制系统框图 Zero -Pole 10 s(s+1) Zero -Order Hold Scope 1 Ramp Discrete

6、 Transfer Fcn 0.382 z -0.364 z+0.0824 2 z -0.407 z-0.593 2 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) 5 输出曲线如下 02468101214161820 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Step Response Time (sec) Amplitude 由图可见，3 拍后输出跟上输入，可实现最小拍控制，T=1