计算机控制系统实验设备研制分析研究计算机专业.doc

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1、 摘 要 计算机控制系统是很重要的一门课程，其中实验部分尤其重要。本文首先分析选择了有关的实验内容，并介绍分析了对应的控制算法，完成了有关算法的离散化，设计了相关的c语言程序。 设计了以AT89c51单片机芯片作为核心的数字控制器，数模转换模块，模数转换模块，以及被控对象的计算机控制系统的实验装置。并利用Proteus仿真验证了各个实验装置的可行性以及正确性，并完成了相关数字控制算法的对应的c语言程序。并完成了装置的硬件电路设计。 关键词：计算机控制系统；实验装置；Proteus仿真；硬件电路设计 1 绪论 1.1计算机控制系统课程介绍

2、 《计算机控制系统》是工业自动化专业的主干必修的课程之一，是一门重中之重的专业基础课。其内容一方面承接了《自动控制原理》的各种连续系统的时域分析频域分析动态性能和稳定性分析，介绍了离散后的系统的各种性能分析，侧重讲解了在对于控制原理中方法的进行离散化过程。另一方面讲解了实际的计算机控制系统的设计原理和方法，可以通过将连续的控制器离散化或者直接离散域设计。并且课程中讲解了设计计算机控制系统的基础知识，使对计算机控制系统的知识包括动态性和稳定性的有关分析有所了解。再次基础上进一步讲解适用于不同场合的数字器控制算法，使其了解到应用于是实际场合的计算机算法Error! Reference source

3、 not found.。 计算机控制系统多用在工业控制的现场中，由于其可靠性抗干扰性比传统的模拟连续控制高，适应性高，系统的扩充性高允许灵活的增添新的控制方法，因此的到了广泛的应用Error! Reference source not found.。因此我们自动化专业的同学在今后投身工作是必须要掌握这门课程的主要内容，学习相关的控制思想和如何搭建实际的控制系统，因此这门与实际紧密联系的课程的实验尤其重要。 课程实验目前包括如下内容：D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验另外还提供了直流电机和炉温控制系统两个控制对象实验

4、。其中数模转换和模数转换实验是其余实验的基础实验，是每个实验都会涉及的内容，是计算机控制的基础性实验Error! Reference source not found.。后面的数字PID实验是对模拟的PID进行了离散化的处理后的得到的数字控制器，PID在实际工业控制中有着广泛的应用。大林算法和最小拍控制主要是学习这两种控制方法的控制思想。最后的直流电机和炉温控制主要是加深对实际存在的被控对象的控制的理解。 1.2计算机控制实验设备研究意义 计算机控制系统是电气工程及其自动化等专业的一门重要的必修专业课程，主要讲述了计算机控制系统的基本结构原理，计算机控制系统的数学描述及数字控制器的设计方法

5、，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径，该课程理论和实际结合要求较强，因此实验课程是该课程的重要的组成部分。 目前使用的硬件类型的计算机控制技术实验箱中，大部分的实验对象都是使用放大器、电容、电阻等结构和常见的电气元件组成。此类实验台存在的最明显的缺点是开设实验项目灵活性差，并且实验箱维护成本高，而且容易因为学生在实验前往往准备不充分导致频繁的错误操作，使得实验效率低下并会造成实验平台很容易损坏。在我们当时完成课程的相关实验室，就遇到过由于放大器损坏导致始终得不到实验结果的情况。 作为高校自动化及相关专业类的学生，如果不能很好地掌握“计算机控制系统”课程传授的设计技术和应用技术，如果

6、不能很好理解掌握有关的控制思想，不懂计算机控制系统的原理与方法，不会实现相关的数字算法的程序，就难以适应毕业后工程设计实践的需要。因此，必须加强动手操作实践能力的培养和训练，以加深对该课程内容的掌握和理解，对培养具有工程实践能力的人才，具有十分重要意义Error! Reference source not found.。 1.3国内外研究现状 几年来随着高等工科学校教育改革的深入，对我们提出了越来越高的要求，要求当代的实用型人才以及研究型人才都需要具有一定的工程设计的综合能力和创新能力。为此，作为将来从事控制领域以及相关的工程技术人员，在掌握基本的计算机控制理论或者控制器设计方法的同时，必

7、须通过较完整的实验教学的训练与考核，使其具备针对实际计算机控制系统的分析设计以及系统调试等综合能力，具有根据实际情况出发的工程设计思维。因此需要给学生提供一个合适的综合实验平台,以便进行系统而且有效的计算机控制的系统设计以及系统调试的完整流程的训练。现如今已进入网络时代，并且随着物联网的快速发展，工业自动化控制开始向嵌入式的灵活化以及远程的网络化方向迅猛发展,实现网络化控制正逐步成为现代化生产的要求和标志，这又对实验平台从技术上提出了具备嵌入式和网络化的要求。 首先是利用软件实现，目的是在所选用的硬件基础上实现所设计的控制规律。因此控制软件实现平台的基础是首要选用硬件实现平台。目前所选定的硬

8、件平台有以下几种： 首先是单片机实验平台。提供采用的单片机仿真器和用户接口调理电路板，可以与选用的实验设备构建成简单控制实验系统，来给学生提供学习有关的数字控制器设计，数字控制器输出控制信号，控制实现所需的控制目的的实验平台。或者是类似的DSP实验平台。基于DSP的仿真器和DSP控制回路模块，可以与选用的实验设备构建成控制实验系统，DSP的优良性能优于单片机的使用，不仅仅可以以供学生进行数字控制系统设计和系统算法的参数调试，或者实现简单闭环系统的控制。并且利用DSP的优点可以用来构成远程数据采集系统、现场总线控制系统。 嵌入式系统平台，提供通用的ARM架构微处理器和基于开放源代码的系统内核

9、的实验平台，利用相关的实验设备作为被控对象，设计所需要的数字控制器的程序，来构成比较完整的控制系统，既可以进行简单闭环系统的控制，也可以用来构成远程数据采集系统、现场总线控制系统。微机平台。利用微机作为控制器与实际工业控制领域中广泛采用的工控机的控制方法类似，例如提供模拟转换接口板和有关的通讯接线，并利用相关的实验设备作为被控对象，构成比较完整的控制系统。既可以进行简单闭环系统的控制完成简单的算法实验，也可以用来构成远程数据采集系统或者搭建现场总线控制系统，用来搭建远程的控制系统，学习有关的通信知识。选用这四种硬件平台的出发点是,既包括了比较典型的控制系统的应用环境包括单片机、微机或工控机并且

10、提供了嵌入式控制系统的有关使用，以及典型的DSP嵌入式控制系统的应用平台。Error! Reference source not found.既突出了实用性,又强调了先进性。 可以极大调动学习和运用所学学习的知识的兴趣，并熟悉使用掌握先进的有关技术。近些年来的，各个工科高校逐步建设设计搭建了自己的计算机系统综合实验平台，通过逐步完善的教学和实验证明了计算机控制系统的总和实验平台符合计算机控制及其最新的发展的工程应用特点，培养了学生的各个方面的能力。实验平台的创新性，和综合性符合对提高学生各方面综合素养的要求。 1.4课题的主要任务 本课题主要研究以下几个方面内容：第一，选择了需要设计的计

11、算机控制系统的实验，包括D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、、大林算法实验、最小拍控制实验。第二，设计了实验需要的相关硬件系统，包括单片机控制模块，A/D采样和D/A转化模块，以及放大器构成的实际被控对象。第三，完成了相关实验c语言程序的设计，完成了各个模块的使用程序，和有关的数字控制器的程序，并通过Proteus进行了相关仿真验证。 文中展示的图片和对应的曲线以及数字控制器的相关陈旭都是通过电路仿真的道德，在可视性与准确性都得到了验证。可以通过对实验各部分的操作，完成有关理论算法和实验结果的验证，加强了对理论知识的理解和实际的认识。并提供了有关的理论方面的公式计算以及分

12、析。 1.5仿真软件的介绍 Proteus 是 Labcenter electronics 公司出版的Electronics Design Automation软件。它可以用来完成对模拟电路、数字电路及各种微处理器以及单片机的进行实时的仿真，并通过搭建外围电路，可以完美的完成用户的需求，设计所需要的控制电路以及搭建被控对象的仿真模型。并提供了 Laplace primitives 库，库里面包含了计算机控制系统中的以及自动控制原理中的各种模型，例如各种经典环节包括一阶惯性环节，积分环节，微分环节等、以及运算操作例如比较环节、一阶和二阶模型 、线性和非线性控制器包括死区，饱和模块等。通过 L

13、aplace primitives 可以十分方便的搭建所需的被控对象。并且最重要的是Proteus提供的图表功能，还可以对不同的输入与控制信号以及输出信号进行响应曲线的绘制，方便用户分析动态性能和稳态性能。Error! Reference source not found. 。 目前支持的Proteus支持的编译器有Keil，因此使用了Keil完成了这次有关的数字控制器的C语言程序的设计。在Proteus软件中还可以通过搭建外围电路来实时查看电路多种调试信息，各部分的输出电压的信息。并且由于Proteus的大量的元件库支持大型设计,而且还可以在仿真中随时观察各元件的工作状态，如果有错的情况，

14、可以计时修改电路，或者修改源程序。先通过Proteus进行电路仿真,再搭建相应的硬件电路完成硬件设计，这种方式可以减小系统的错误导致的成本损失，因此非常合理适合目前的使用情况。 用来完成本次的电路原理图设计和绘制的软件是Altium DesignerError! Reference source not found.。该软件是由Altium公司推出的用于电子设计的综合设计软件，也是开发原Protel软件的开发商，其功能非常强大。在本设计中将使用AD10完成相关各部分电路原理图的绘制，绘制时需要使用的电器元件以及各种芯片可以在强大的元件库中直接导入，如果没有对应的元件，也可以利用元器件设计，自

15、己绘制相关的电器元件。 23 2 实验系统的设计方案 2 实验系统的设计方案 2.1 系统的总体结构 计算机控制系统是一个同时存在着模拟信号和数字信号的系统，数字信号存在于计算机的数字控制器部分，其余部分大多数是模拟信号，也有直接使用数字信号进行控制的系统。模拟信号存在与被控对象的控制和输出以及检测部分，通过A/D转换将输出信号变为数字信号返回数字控制器（即计算机）中，并与输入信号的数字量比较的到偏差量，应用不同的算法对偏差量计算得到相应的数字控制量，在通过D/A转换模块输出离散的模拟的控制量，之后通过保持器得到连续的模拟控制量。 系统的主要任务就是完成相关数字控制的算法以

16、及搭建相关的被控对象环节。数字控制算法用c语言完成并比利用数模转化模块实现输出Error! Reference source not found.。 r（t） y（t） 被控对象 执行机构 D/A 转换器 数字控制器 采样开关 A/D 检测变送 因此实验系统应该包括，数字控制器，D/A模块，被控对象模块，检测变送模块，A/D模块。核心部分是完成利用单片机设计数字控制器的算法程序。系统的输入信号通过程序内输入，输出可以利用Proteus仿真输出或者实物电路图可以利用示波器对波形进行观察。 2.2数字控制器设计概述 计算机控制系统的数字控

17、制器就是利用计算机程序设计完成的用来实现实际控制效果相关的算法。单片机是集成到一块芯片上的小而完善的微型计算机系统，因此单片机可以完成相关任务，并且单片机在在工业控制领域大放异彩，在各种工业控制的场合和领域应用广泛。因此在设计本实验系统中，为了方便实验设备的制造以及仿真的验证，采用了单片机作为数字控制器Error! Reference source not found.。 数字控制器处理的是数字信号，而大多数的被控对象是模拟信号，因此这两部分必须经过模拟信号与数字信号的相互转换才能联系起来，目前DA或AD转换器都已经集成化有了相应的芯片，因此只需要选择合适的芯片设计相关的转换模块即可。 数

18、字控制器设计也包括实验中程序的设计，如A/D转换程序，，PID算法程序，D/A转换程序，大林算法，以及炉温控制。利用c语言设计相应的程序，并导入Proteus仿真电路中进行仿真的相关验证。 2.3 各个模块设计概述 除了数字控制模块设计，系统的硬件还包括了的D/A转换模块和A/D转换模块，以及被控对象模块。一般数字控制系统保持器选择零阶保持器，相当于在程序中保持数字控制器输出不变即可。而采样开关相当于包括在模数转换模块里了。系统的输入可以通过数字控制器的程序中给定，并通过程序完成偏差量的计算。 3 实验设备的硬件设计 3 实验设备的硬件设计 3.1 D/A模块设计 3.1.1D

19、/A转换器原理 D/A转换器模块的作用是将数字控制器的输出数字量转换为连续的模拟量，其中的转换时间间隔T，会对D/A转换的精度产生较大的影响。其工作原理可以简述位按权展开求和的基本原则，对于输入的数字量的每一位对应不同的权值，将其转换为模拟量，然后通过运算放大器进行放大和求和的到对应的模拟量输出。 图3.1.1为以四位二进制为例的D/A转换器的原理图，图中的切换开关的数量就是DA转换器的字长。 用R-2R T型电阻网络生产集成的DAC芯片时，工艺会变得更加容易实现，并且电流叠加的原理并没有改变。因此大部分并行的DA转换芯片仍保持着电流输出的形式。若要得到电压值的输出，需要增加

20、电流电压的转换电路来实现 图3.1.1 D/A转换器原理图 3.1.2 D/A转换误差 D/A转换的误差的主要影响因素主要有D/A转换器的转换精度也就有转换器的字长，转换器的步长越长，误差越大。以及保持器的形式，保持器一般选择零阶保持器，固然一阶保持器的在低频时候相位移动较小，而且高频分量容易通过，但是由于其在整个周期内的相位偏移比零阶保持器大得多，对系统稳定性有很大的影响，并且零阶保持器比一阶保持其更容易实现。最后转换误差也与规定的保持器的时间间隔有关。D/A完成的任务包括两部分，即解码和信号恢复两个变换。 解码即为把数字量通过芯片内部电路转换为赋值等于该数字量的模拟信号，但是这个信

21、号在时间上是离散的，但是幅值已经对应与输入的数字信号了。因此解码只是将信号的形式进行了改变，是一个无误差的等效的变换过程。 保持器也就是信号恢复器是将这一串时间上离散的信号按照一定规则使其变成时间上连续的信号。因此这个时间间隔越小，则保持其的输出的信号的畸变越小。 3.1.3 D/A芯片选择 DAC0832是常用的8位分辨率的数模转换芯片，由于其价格低廉、接口简单并且转换控制容易，在单片机应用以及工业控制领域中得到广泛应用。芯片的数模转换器由8位输入数据锁存器，8位DAC转换寄存器，转换的控制电路构成，以及模数转换电路组成。 DAC0832由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机

22、接口。DAC0832是以电流的形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器，通过放大可以得到电压输出。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，可以相互代换。根据对DAC寄存器的不同的控制方式以及对DAC0832的数据锁存器利用方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式，最简单的就是直通方式。 直通方式是利用 用于片选，与单片机的控制引脚链接低电平有效，所要传递的数据不经过两级锁存器锁存。 ，， 引脚均接低电平，引脚接高。适用于连续反馈控制的采样电路，在使用时，I/O接口必须与CPU连接，以完成与程序对应的D/A转换。  3.1.4 D/A模块硬件

23、仿真 通过P0输出需要转换的数字信号，片选信号接地。利用单片机设计了产生方波程序，并且可以完成相应的DA转换实验。由于DAC0832的输出是利用IOUT1和IOUT2输出模拟电流，二者之和是个常数，因此一个引脚接地，另一个接放大电路。但是由于其输出值非常小，因此需要外接放大电路将其转换为需要的电压信号。设置不同的反馈电阻阻值可以改变放大器放大倍数，芯片内置了反馈电阻RFB，但是其倍数与后面系统的整体不能对应，通过外部外接了10k反馈电阻，保证P0=0xff时，输出电压为5vError! Reference source not found.。 通过程序中不同的数值可以完成实验一D/A数模转

24、换实验。在程序中通过给P0赋值，赋不同的值可以在输出端通过探针检测到不同的电压，得到下表的数据。 表一 D/A仿真输出电压 数字量 模拟量 理论值 实测值 P0=0xff(255) 5v P0=0x80(128) 2.509v P0=0x00(0) 0v 3.2 A/D模块设计 3.2.1 A/D转换方式及其误差 常用的A/D芯片有四种转换方式：计数器式，并行比较，双积分和逐次逼近式。其中计数器式器件简单，价格便宜但是转换速度较慢。其次并行比较式转换速度快，用在高速

25、的场合但是位数较多时成本较高。双计分式精度高，有较强的抗干扰能力但是速度较慢。而逐次逼近式很好的兼顾了速度与精度。 A/D转换通常包括采样、量化和编码三个阶段，其中采样就是对输入的模拟信号按照一定的采样周期进行采样，得到时间上离散的输出序列。量化为将时间离散的信号进行最小单位的取整过程，量化单位越大，则信号的失真越大。编码是将量化后的信号变成二进制的编码，这个阶段只是信号的表现形式的变化，因此是一个无误差的完全等效的过程。因此A/D的转化误差主要由量化阶段的量化单位和采样周期有关，量化单位越小，转换精度越高。其次业余A/D转换速率有关。 3.2.2 A/D芯片选择 ADC0832 是美国

26、国家半导体公司生产的8位分辨率A/D转换芯片。其分辨率最高可达256级，芯片的模拟电压输入在0到5V之间，芯片完成一次转换时间仅为32微秒，具有双数据输出可用来作为数据校验，判断数据传输是否正确，来减少数据误差，稳定性能很强并且芯片的转换速度快，可以完成大部分简单的模拟量转换为数字量的要求。其参考电压接口接入的参考电压可以与其内部电源输入复用。并且独立的芯片使能输入，与单片机接口非常方便，可以很容易的完成芯片的选通或者关断。通过DI 数据输入端，可以选择信号的输入方式，可以用作但输入或者两个接口同时输入。 通常ADC0832 有4条数据线接口，分别是、、、。由于端与端在通信时均为双向口分别分

27、开传输数据，传输数据可以用一条数据线，所以电路设计时可以将和 并联成一根。当ADC0832未片选时其输入端置为高电平，此时的 和/ 的电平可任意，因为这时候芯片没有被选择没有工作。 当要开始进行A/D转换时，先将使能端置于低电平，表示片选所使用到的AD芯片，并且要保持低电平直到全部的模数转换完全结束。此时芯片开始进行转换工作，同时由单片机向芯片时钟输入端输入脉冲，脉冲用来控制芯片的工作，/端则使用端输入通道功能选择的数据信号，如表二所示，通常输入的10或11，表示选择CH0或CH1作为单项输入。并且在得到第1 个时钟脉冲的下沉之前必须保持端必须是为高电平，表示整个芯片转换的起始信号。在第2、

28、3个脉冲下沉之前端输入2 位数据用于选择输入的通道，输入与数据的关系如表二所示： 表二 模拟输入通道选择 DI CH0 CH1 00 IN+ IN- 01 IN- IN+ 10 IN 11 IN 下面为ADC0832的初始化程序： void startADC()// 初始化函数 { CS=1; //清空片选信号 _nop_(); _nop_(); CLK=0; //清空时钟的输出端 _nop_(); //延时保证输出有效 _nop_(); CS=0; //片选芯片 _nop_(); _nop_(); DI=1;

29、 //表示起始信号 _nop_(); _nop_(); CLK=1; //第一个脉冲 _nop_(); _nop_(); DI=0; //清空DI准备选择 通道 _nop_(); _nop_(); CLK=0; //第一个脉冲结束 _nop_(); _nop_(); DI=1; _nop_(); CLK=1; //上升沿DI=1 _nop_(); CLK=0; //第一个下降沿 //DI=1 _nop_(); DI=0; //第二个DI=0 _nop_(); //选择CH0作为 //单独的输入 CLK=

30、1; _nop_(); CLK=0; //第3个上升沿DI=0 _nop_(); //DI失去输入的作用 } ADC0832在利用初始化子函数完成了初始化后，端的输入电平就失去输入作用，此后/端则用来进行所需要转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由端输出转换数据最高位，随后每一个脉冲下降沿端都会输出八位数据的下一位。这样直到第11个脉冲下降沿到达时发出最低位数据，等待八位即一个字节的数据传送完成，也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个脉冲下降沿开始输出。随后输出八位数据，到第19 个脉冲下降沿到达时标志着整个一字节的数据正式的输出完成，也标志着一次A/D

31、转换的结束。最后将置高禁用芯片，单片机再将可以直接将转换后的数据读出即可。 Void read(){ CLK=1; _nop_(); CLK=0;//下降沿读数，一下进行 //判断和处理,共8次 for(i=0;i<8;i++){ DI=1; if(DO) { temp |=0x01;//低电平输出1 } else{ temp &=0xfe;//高电平则表示 //这一位为0 } CLK=0; _nop_(); CLK=1; temp=temp<<1;//左移一位准备

32、 //读取下一位 } vvv=temp;//将得到的数存到全 //局变量中 } 3.2.3 A/D模块硬件电路仿真 ADC0832利用Proteus可以进行仿真，并检测输入不同的模拟量对应的数字量输出。利用数码管显示数字量，利用分压电阻输入不同的模拟电压量，仿真电路图如图3.2.1所示： 4.1.1数字PID算法介绍 PID控制器表示的是对偏差进行比例（proportional）-积分（integral）-微分（differential）控制规律计算，用得到的控制量对被控对象进行控制的控制器，即控制器的输出和输入的关系是比例（P）-积分（

33、I）-微分（P）的关系。PID控制器从上世界三十年代末开始，到今天已经是工业控制领域应用最广泛的一种控制方法。首先P即比例反应了系统当前的状态，积分I相当于表现的是输入的历史变化，而D则表征输入信号的未来的变化趋势。如图4.1.1所示为模拟PID的系统结构框图Error! Reference source not found.。 图4.1.1 模拟PID系统结构框图 而数字PID控制器就是在模拟PID控制器的基础上进行了离散化处理得到的应用于计算机控制的算法。基本的数字PID控制算法包括位置式PID和增量式PID控制算法。模拟PID算法为： 式中， ——PID输出 ——积

34、分时间常数 ——PID输入 ——微分时间常数 ——比例系数 对模拟PID算法进行离散化可以的到相应的数字PID算法，方法可以利用后向差分将模拟PID的传函形式直接变为对应的差分方程Error! Reference source not found.： 积分系数 比例系数 微分系数 同时可以利用得到增量式的数字PID; 其中增量式PID算法可以用来表示执行机构的调节量比如步进电机或者给料的阀门，如果执行机构没有积分特性的部分则应该选择位置式。因为位置式PID控制的输出是与整个过去系统的误差的状态有关，其中用到了系统输出与出入的误差的累积值。而增量式P

35、ID的输出是利用当前时刻的误差与前两拍的误差计算得到的输出增量，与上一拍的控制器输出惊醒相加得到的输出，在表达式中由于位置式PID控制的误差由于是累积误差的和所以值更大，在实际应用中也往往是用增量形式表示，对计算机的存储数据有较大的要求。而增量式PID控制输出的与上一拍的控制器输出有较大联系，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。 实际上下式才是位置式的PID算法的常用形式，即使是使用的位置式PID也是利用计算增量，因为这样更简单实用： 自从计算机和各类微控制器芯片开始应用在了在工业控制领域之后，传统的模拟

36、PID控制系统就开始逐步被利用计算机或者微处理器实现的数字PID逐步取代。其主要原因不仅仅是可以用软件实现数字 PID 控制算法，而且可以利用计算机的程序或者微处理器的逻辑控制功能，完成更为适合现场或者控制要求的灵活的应用，比如设计积分分离的PID，有死区的PID不完全微分PID等，使 PID 控制变得更加灵活和适用。 4.1.2数字PID算法程序实现 利用Proteus可以仿真PID，利用上面所述的A/D模数转换模块采集利用典型环节搭建的模拟被控对象，将所得的数字量传送给数字控制器，利用c语言完成相应的PID算法，在以D/A模数转化模块输出模拟控制量。 5.2 最小拍存在的问题

37、虽然最小拍达到了以最少的采样周期完成了跟踪输入并且输出没有偏差，完成了最快达到系统无差的要求，但是在系统中仍然存在一些问题。 首先是系统在采样的时间点的确做到了无差，但是在连续的角度看，系统在采样时间点之间并不是纯粹的误差系统，系统的输出是衰减振荡，我们称之为纹波，也就是直接设计的最小拍是有纹波的最小拍系统。其次是系统对于不同的典型输入的通用性能很差，根据单位阶跃信号设计的最小拍控制系统往往不能应用在其他输入例如单位速度信号输入的系统中，因为直接利用在其他输入的情况，回到是系统的性能往往不符合设计的期望值。以及最小拍系统受到被控对象的参数的变化影响非常大，也就是系统的适用性非常差，如果被控对

38、象有参数发生了变化，那么会使根据之前设计的最小拍系统的输出动态性能变差，不能在最少拍数内到达一个稳态值。 综上我们要使用最小拍必须要提前进行改进，提高最小拍的适用性，使之能在实际系统中达到需要的控制目的。 学习直流电动机的控制，可以加深对闭环调速控制系统的构成的了解，进一步熟悉PID控制规律，并利用对应的程序实现。要求编写对应的程序实现直流电机的闭环调速控制Error! Reference source not found.。在Proteus中有对应的直流电机元件，如图7.1.1所示。 图7.1.1 直流电机 图7.1.2 直流电机参数设置 如图7.1.2所示

39、，可以设置直流电机的额定电压，励磁电阻和励磁电感，以及转一圈产生的方波数，可以用来测量电动机的速度，图中的Pulses per Revolution 设置的值为360，也就是说电动机每转一圈就会产生360个高电平或低电平，可以利用单片机的计数器对其计数，来间接的得出电机的实时转速Error! Reference source not found.。 仿真中电动机有五个接口，图中左右两个分别接直流电源正极和地，对电机进行供电，也可以反相接入，这样可以控制电机反转。电机下面的会实时显示其转速。上面的三个接口左右两个分别是产生高电平和产生低电平，频率对应上面设置中的设置值。 7.2 直流电机

40、硬件电路设计 仿真中硬件电路需要有三个部分，分别是电机的驱动电路，以及控制器，以及转速的输出电路，如图7.2.1所示。驱动电路是由于数字控制器的输出功率太小无法驱动电机，因此需要功率放大电路，来对输出信号进行放大，来驱动直流电机。而测量转速利用的是电机输出的高电平需要进行转换，并且需要D/A模块来将输出的数字量转化为可见的模拟量并且用来描绘转速曲线。硬件的仿真电路如图7.2.2所示。 数字给定值 驱动电路 直流电机 数字PID控制器 测速电路 图7.2.1 电机调速系统框图 图7.2.2 电机转速控制硬件仿真 仿真电路中电机

41、模块，由H桥电路和达林顿管构成。Q1，Q2，Q4，Q5构成。可以设置R1或者R2的引脚与单片机的PWM输出口相连接，但R2单片机P1.7相连时Q5，Q6导通，对应Q7，Q1导通，此时电机正转。若单片机P1.7接R1时，Q3，Q2导通，Q7，Q1截至，单片机反转。因此在两端输入不同的信号可以控制在直流电机的正转或者反转以及停止。其中Q3与Q2构成了一组达林顿管用来提高电流的放大倍数Error! Reference source not found.。 7.3 直流电机硬件软件设计以及仿真结果 仿真中软件设计利用了单片机的T0，T1，在测量转速时分别用于定时和计数，两者配合计算出电机的实时

42、转速，在后面利用两个定时器输出PWM波形，来控制电机的转速。 软件设计中，包括测速子程序的设计，PID子程序的设计以及PWM波形产生程序。首先是测速子程序，利用定时器T0定时50ms，同时开启定时器T1让其工作在计数状态，每次计数完成在中断函数中将全局变量加一，直到定时器T0计时完成，并读出此时的速度对应的全局变量，经过运算可以得到此时的电机转速，并将这个数利用D/A输出就可以用analogue画出电机启动的转速曲线了，如图7.3.1所示。此时再调用PID子程序和PWM子程序Error! Reference source not found.。 在实际工程中人们会遇到一些存在纯滞后的系

43、统，这些系统的滞后时间比较长，对于这些系统人们更多的要求是关于系统的超调方面的内容而不是单纯的系统的动态性能，在超调尽可能小或者没有超调，系统的调节的时间可以允许比较长，因此超调是考虑的主要的性能指标。对于这种特殊的要求PID控制算法失去了其优势，并且一般的控制算法达到的性能也往往不能满足人们对超调的要求，因此美国IBM公司为此提出了大林算法，专门用来处理具有大滞后的一阶或二阶的惯性环节，并且具有很好的控制效果。 大林算法的被控对象是存在纯滞后的一阶惯性环节或者二阶环节例如： 其中，为系统的时间常数，是系统的滞后时间，其值一般为采样周期的整数倍。并且大林算法所要实现的控制目标是为了设计

44、一个合适的数字控制器，用来实现控制带有纯滞后的传递函数的系统的输出，并且闭环系统的滞后的时间必须要和对象的滞后时间要相同。也就是说最后得到的闭环传递函数如下式所示： 其中的为闭环函数的时间常数。由系统的闭环传函就可以得到相应的数字控制器的传递函数。保持器通常使用的是零阶保持器，由此可以的出系统的整个闭环脉冲传函为： 由闭环的脉冲传递函数可以利用下式得到系统的控制器传递函数。 由此可以得到当被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节时，其脉冲传递函数为： 已知被控对象的传递函数为 采样周期为0.5s，则可以利用上述的公式求的相应的控制器。 8.2 大林算法硬件电路仿真 大

45、林算法中由于存在延时环节，延时环节在Proteus中可以利用延时传递函数模块直接构成，如图8.2.1所示。其中可以设置延时的时间和传函的参数，delay的值对应就是系统延时时间，配合前面系统的典型环节即可构建所需的被控对象。 图8.2.1 Proteus中延时环节 其余模块与前面类似，系统的仿真电路如图8.2.2所示。 图8.2.2 大林算法硬件仿真电路 控制器的输出以及系统的输出仍使用analogue模块绘制相应的响应曲线。 8.3 大林算法程序以及仿真结果 大林算法的数字控制器的程序比较简单，主要难点在于利用大林算法的公式完成数字控制器的设计，得到数字控制器的z传函，

46、将传函写成差分方程的形式，得到控制器输出和偏差量之间的关系表达式即可完成对应的程序Error! Reference source not found.。 因为对采样周期的准确度要求比价高，所以可以利用定时器T0完成对应的采样周期的定时。首先是定时器的初始化函数： 在完成了系统的各个模块的电路仿真后，需要完成相关模块的硬件电路设计，和PCB板的设计与绘制。所使用的软件是Altium Designer13，该软件是Protel系列产品中比较经典的一款，所以相关的学习资料较多，比较容易学习，所以选择采用。该软件具有很多功能，在本章中只使用其电路原理图绘制编辑以及印制电路板绘制两部分功能。 如图

47、9.1所示是系统的总体的电路原理图，各个模块的如图9.2后面的所示，在后面进行介绍。 图9.1 总电路原理图 如右边图9.2所示是系统的单片机模块，其中包括了复位电路以及系统的外部12MHz晶振。 P0口输出需要上拉电阻，因此外接了排阻，其余口为了方便外接其他电路接了排针。 复位电路的输入是按键输入，每次按键都会复位单片机到初始状态。 图9.2 单片机模块 如右图9.3所示是USB下载串口模块以及电源供电模块。 USB通过CH340G模块将程序下载到单片机中，TXD接单片机的RXD引脚，RXD接单片机的TXD引脚。

48、使用5v供电，V3.3v引脚接地。 VCC是单片机板子的+5v供电，VCCA是USB的输出，要通过滤波电路将电压稳定，并输出。 图9.3 USB串口模块 数模模数转换模块在前面有所介绍此处不再赘述，按照要求连接了相应的电路，如图9.4和图9.5所示。 图9.4 ADC0832模块 其中需要说明的是运放的供电，运算放大器需要+12v和-12v供电，但是单片机中只有5v，因此需要转换的模块，此处选用的是LM7812和LM7912分别产生+12v和-12v为运放供电。 图9.5 D/A模块原理图 电路图中其余部分是搭建被控对象需要的电气

49、元件，包括电阻电容以及运算放大器。每个端口都接了接线端子，可以用来接线组成对应不同传函的硬件电路。 本文首先分析了计算机控制系统这门课程相关实验的重要意义，并分析了计算机控制系统课程有关实验的内容，包括数模，模数转换实验，数字PID控制器实验，最小拍实验，大林算法实验等实验的主要任务，实验的仿真电路以及实验所需的数字控制器程序。并且完成了相关实验的Proteus电路仿真结果分析，验证了相关硬件电路的设计。并且在后面完成了有关电路原理图的绘制，以及PCB板的绘制。 其中费时较多的是各实验各部分的有关数字控制器的程序设计，尤其是在仿真验证中经常会发现程序中存在的逻辑错误以及各种低级的程序问题，更改这些错误耗费了很多精力，好在最后得到了纠正，并完成了有关的仿真验证。