滞后超前校正控制器设计

《计算机控制》课程设计报告题目:滞后-超前校正控制器设计姓名:胡志峰学号:1002301052013年7月12日《计算机控制》课程设计任务书学号100230105班级1002301学生胡志峰指导教师任倩题目滞后-超前校正控制器设计设计时间2013年7月5日至2013年7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)160)(110()(0sssKsG，采用模拟设计法设计滞后-超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1)当tr时，稳态误差不大于1/126；(2)开环系统截止频率20crad/s；(3)相位裕度o35。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7月5日一、实验目的完成滞后-超前校正控制器设计二、实验要求熟练掌握MATLAB设计仿真滞后-超前校正控制器、运用Protel设计控制器硬件电路图，以及运用MCS-51单片机C或汇编语言完成控制器软件程序编程。三、设计任务设单位反馈系统的开环传递函数为)160)(110()(0sssKsG，采用模拟设计法设计滞后-超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1)当tr时，稳态误差不大于1/126；(2)开环系统截止频率20crad/s；(3)相位裕度o35。四、实验具体步骤4.1相位滞后超前校正控制器的连续设计校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类：分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。超前校正的作用在于提高系统的相对稳定性和响应的快速性,滞后校正的主要作用是在不影响系统暂态性能的前提下,提高低频段的增益，改善系统的稳态特性，而滞后超前校正环节则可以同时改善系统的暂态特性和稳态特性。这种校正的实质是综合利用了滞后和超前校正的各自特点，利用其超前部分改善暂态特性，而利用滞后部分改善稳态特性，两者各司其职，相辅相成。(1)调整开环增益K,使其满足稳态误差不大于1/126;00lim(s)126vsKsGK(1)按求得的开环增益K=126绘制Bode图4-1所示：图4-1校正前系统Bode图图4-2校正前系统阶跃响应图由图可知：未校正系统的剪切频率:032.5/crads相角裕度：011.4幅值裕度：5.120gKdB相位裕度：24.5/grads以上计算以及仿真结果可知，系统不稳定，需要进行校正，由于0c附近频段内0(s)G的对数幅频渐近线以-40dB/dec穿过0dB线，只加一个超前校正网络其相角超前量有可能不足以满足相位裕度的要求，可以设想如果让中频段(0c附近)衰减，再由超前校正发挥作用，则有可能满足指标要求，而中频段衰减正好可以用滞后校正完成。因此决定采用滞后超前校正。(2)确定校正后的剪切频率：选取c的原则应兼顾快速性和稳定性，c过大会增加超前校正的负担，过小又会使频带过窄，影响快速性，结合具体情况：24.5/cgrads(3)确定滞后校正部分的参数：根据22111()510cT22.5/rads，取10则有121=0.25/radsT24T故滞后校正的传递函数为21210.41(s)141scsTsGTs(2)(4)确定超前校正部分的参数：过点（24.5rad/s,-5.12dB）做+20dB/dec斜线与滞后校正部分交于3，与0dB线交于4，计算得35/rads，450/rads，故110.2,0.02TT，故超前部分校正的传递函数12110.210.0211scTsGTs(3)最后可得滞后超前校正网络的传递函数为12(0.4s1)(0.21)(4s1)(0.02s1)cccsGGG(4)(5)检验性能指标由于校正过程中，多处采用的是近似计算，可能会造成滞后-超前校正后得到的系统的传递函数不满足题目要求的性能指标。所以需要对滞后-超前校正后的系统进行验证。下面用MATLAB求已校正系统的相角裕量和幅值裕量。图4-3校正后系统Bode图图4-4校正后系统阶跃响应图图4-5校正前后Bode图比较图由图上可以读出校正后系统的：剪切频率:020.45/20/cradsrads相角裕度:054.835幅值裕度：13.7gKdB相位裕度：57.3/grads假设验证结果不满足指标，重新选择校正后的截止频率，重复上述过程，直到满足性能指标为止。通过校正后系统的伯德图得到的幅值裕度和相位裕度可以看出此次设计的滞后-超前校正装置在由于超前校正作用在中频段衰减，增大了相位裕度和带宽响应快速提高；同时由于系统的滞后校正改善了系统的稳定性，提高稳态精度，由于超前的作用不致使系统响应速度变缓，故校正器设计符合要求。由上图可知通过滞后-超前校正器的校正系统达到稳定，且各项指标均达到要求。事实上，可以充分的利用MATLAB软件中的控制系统工具箱来解决控制中的一系列问题，可以大大提高分析和设计控制系统的效率。本文作者创新点：给出了基于MATLAB软件的滞后-超前校正器的设计过程并通过仿真实例验证了该方法比传统的方法节省了相当大的工作量，实现起来非常的方便。4.2Matlab程序%绘制校正前系统的Bode图和阶跃响应图K=126;n1=1;d1=conv([10],conv([0.11],[0.01671]));s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),holdon%绘制系统的Bode图figure(2);sys=feedback(s1,1);step(sys)%绘制系统的阶跃响应图%绘制校正后系统的Bode图和阶跃响应图G0=tf(126,conv([10],conv([0.11],[0.01671])));Gc1=tf([0.41],[41]);Gc2=tf([0.21],[0.021]);G=G0*Gc1*Gc2;figure(3);bode(G)%绘制闭环系统的Bode图margin(G),holdonT0=feedback(G0,1)T=feedback(G,1);figure(4);step(T);%绘制闭环系统的阶跃响应图K=126;n1=1;%将校正前后Bode画在同一张图上d1=conv([10],conv([0.11],[0.01671]));s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1),holdon;G0=tf(126,conv([10],conv([0.11],[0.01671])));Gc1=tf([0.41],[41]);Gc2=tf([0.21],[0.021]);G=G0*Gc1*Gc2;figure(1);bode(G);margin(G),holdon;legend('校正前','校正后')4.3相位滞后-超前校正的离散化Simulink是可以用于连续、离散以及混合的线性、非线性控制系统建模、仿真和分析的软件包，并为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，很适合于控制系统的仿真。使用MATLAB对滞后-超前控制器函数和校正后的开环传递函数进行离散化。采用零极点匹配法,采样时间为10ms：图4-6离散后系统阶跃响应图DzTransferfunction:0.8159z^2-1.572z+0.7569-----------------------------z^2-1.604z+0.605Samplingtime(seconds):0.01G0zTransferfunction:0.01353z^2+0.02706z+0.01353---------------------------------z^3-2.454z^2+1.95z-0.4966Samplingtime(seconds):0.014.4Matlab程序%绘制离散系统阶跃响应图s=tf('s');G0s=126/(s*(s/10+1)*(s/60+1));Ds=((0.4*s+1)*(0.2*s+1))/((4*s+1)*(0.02*s+1));G0z=c2d(G0s,0.01,'matched');Dz=c2d(Ds,0.01,'matched');Gz=G0z*Dz;sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);G0z=c2d(G0s,0.01,'matched');Dz=c2d(Ds,0.01,'matched');sys=feedback(Gz,1);step(sys,10);4.5Matlab/Simulink仿真离散控制器D(z)零阶保持器W(s)R(s)+--T图4-7控制系统结构图图4-8Simulink仿真离散控制器图01234567891000.20.40.60.811.21.4离散系统的阶跃响应图4-9Simulink仿真离散控制器系统阶跃响应图4.6相位滞后超前校正的控制器差分方程设计由22(z)0.81591.5720.0756(z)(z)0.6040.605UzzDEzz得出差分方程为：(k)0.8159E(k)1.572E(k1)0.0756E(k2)0.604U(k1)0.605(k2)UU五.控制器电路设计5.1控制器的选择与电路设计AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图5-1MCS-51单片机最小系统电路图5.2AD/DA转换芯片选择与采样电路的设计ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。主要特性：8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40～+85摄氏度；低功耗，约15mW。由于该AD内部没有时钟，要外接时钟输入,时钟可以从单片机的ALE引脚引出,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的