模拟设计法控制器设计
设单位反馈系统的开环传递函数为)
102.0)(112.0()(0++=
s s s K
s G ，采
用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：70≥Kv ，%40≤p M ，s t s 1≤。
报告内容:
1. 控制系统仿真和设计步骤，应包含性能指标计算(含曲线)、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. 单片机、A/D 、D/A 的选择，画出原理图；
3. 采用单片机实现，画出软件流程图，详细到变量赋值；
4. 体会和总结
注意事项：
1．注意考虑算法编排结构，考虑单片机定时采样、单片机A/D 、D/A 操作等的实现方法
2. 每人提交一份打印的报告（A4纸，左侧两钉装订，为节约资源，要求最终装订后的报告含封面不超过6页纸张，可以双面打印）。
报告要采用统一的封面（格式附后），各级标题采用宋体四号字，正文采用五号宋体字，单倍行距。
3. 图要用合适的软件绘制(如Protel ，Visio)，排版尽量节约版面，调整到能够看清楚最小字号的内容即可。
4. 鼓励采用Proteus 做仿真和调试代码。
5. 本设计共10分，严禁抄袭，发现雷同者一律零分。
模拟设计法控制器设计报告
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2017年4月7日
一.控制系统仿真和设计步骤 1.1实验要求
设单位反馈系统的开环传递函数为
)102.0)(112.0()(0++=
s s s K
s G ，采用模拟设计法设计
数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：70≥Kv ，
%
40≤p M ，
s
t s 1≤。
1.2性能指标的计算
（1）由0s 0
Kv=lim ()70
s G s →⋅=可画出K0=70的未校正系统对数幅频特性。
如图1所示，当w=1时，020lg G =20lgK=36.9dB
可以求出未校正系统的剪切频率
024/c rad s ω=
图1 未校正系统的bode 图
（2）绘制期望特性。
低频段与未校正部分重合，中频段在绘制之前，首先将p
M ，s t
转化为频域指标
r
M ，
c
ω。
r
M =1.6，由
K s c
t π
ω
=
可得
c =K ωπ
2
r r r K=2+1.5M -1+2.5M -1M =1.6
（）（），
代入可求得K=3.8，wc=K*π=12rad/s ，可以算出
r 2c r
M -1=4.46rad/s M ωω≤ r 3c
r M +1=19.3rad/s M ωω≥
在wc=12rad/s 处，作-20dB/dec 斜率直线，交20lg|G0|于w=48rad/s 处，取w2=4rad/s ，w3=48rad/s ，此时
3
2
h=
=12
ωω。
可以粗略计算相应的相位裕度
h -1
=a rc s in
=57.8h +1
γ，过w2作横轴垂线，与中频段-20dB/dec 直线交点处，作-40dB/dec
直线，该直线与期望特性低频段交于w1=0.68rad/s 处，至此中低频衔接段完成。
中，高频衔接段在w3=48rad/s 处作横轴垂线与-20dB/dec 中频段直线交点处作斜率 -40dB/dec 直线，交未校正系统高频段于w4=50rad/s 处；当w ≧w4的时候，期望特性与未校正系统的高频特性一致。
至此，期望特性的全部参数已经得出 w1=0.68rad/s w2=4rad/s w3=48rad/s w4=50rad/s wc=12rad/s h=12
（3）将期望特性|G|dB 与|G0|dB 相减，可得串联校正装置特性|Gc|dB ，其传递函数为
c 1+0.25s (10.12)G =
(1 1.47)(10.021s s s +++（））
（4）验算，校正后系统开环传递函数。
由wc=12rad/s 可以算出s t
=0.88s ，
p
M =0.36，
r
M =1.5，可以满足性能指标要求。
（6）画出校正前后系统的阶跃响应曲线
图2阶校正前后的跃响应曲线
1.3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
实际应用时，应取 s b 4~10ωω≥
（） ()s Rmax 4~10ωω≥ s
200~500rad/s ω≥
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要求，采样时间不能取得太大，故取 T=0.01s
（3）将模拟控制器离散化
离散化后得脉冲函数为:
220.50670.91650.4124
() 1.56920.5717c z z G z z -+=
-+
（4）被控对象离散化
离散化的被控对象为：
220.07080.14160.0708
() 1.93930.9434p z z G z z z -+=
-+
（5）由Simulink 建立仿真模型以仿真离散控制器。
Simulink 仿真模型原理图如下:
图3 Simulink 仿真模型原理图 （6）离散系统的阶跃响应曲线：
图4 离散系统的阶跃响应曲线
（7）转换为差分方程的形式：
根据式 ()
()
()c U z G z E z = ，可得差分方程为
() 1.5692(1)0.5717(2)0.5067()0.9165(1)0.4124(2)u k u k u k e k e k e k =---+--+-
二.单片机电路设计 2.1电路的设计
（1）A/D电路的设计
将AD转换的ADDA,ADDB,ADDC接地，选择IN0锁存器。
EOC接P2.2,转换结束则输出1，否则输出为0；OE接P2.1，选择是否输出数据。
OE=0,输出高阻态，OE=1输出数字量；ST接P2.0,转化开始信号。
由1变0转换开始；IN0接输入的模拟数据e(t);IN1-IN7悬空；Clock接分频器74ls74的输出端，输入500KHZ时钟信号；Vref(+)接+5V,Vreft(-)接地，VCC接电源,GND接地；ALE地址锁存，上跳沿锁存，可以接在P2.0口。
D0-D7接单片机的P1.0-P1.7;
（2）D/A电路设计
D0-D7接单片机的P0.0-P0.7，数字量输入；将CS，WR1,WR2,XFER,引脚接地；ILE引脚接+5V,Vref选择+5V,GND接地；此时DAC0832处于直通工作方式，一旦有数字量输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。
（3）单片机8051的电路设计：
P0.0-P0.7接D/A转换数字输入端；P1.0-P1.7接A/D转化数字输出端；P2.0接A/D转换ST端；P2.1接A/D转换OE端； P2.2接A/D转换EOC端；外接12MHZ的时钟电路输入到时钟端
XTAL1,XTAL2;外接复位电路到RET；
2.2单片机原理图
图五单片机原理图
三.控制算法流程图
四．体会和总结
在为期一周的课程设计过程中遇到了好多问题，包括各种软件的熟练程度不够，对各种软件的了解比较少，今后需要加大对这方面的学习，需要在毕设方面加大对这些方面的学习，尽可能的熟练掌握专业所需的相关软件的运用，同时在此次过程中我也对大学期间所学的内容巩固了一边，综合应用了专业课所学的知识，而且相对的熟悉了专业领域常用软件的使用，收获很多，这次课设经验让我学到的不只是课设本身的相关知识更是一种学习方法一种学习方式的收获，为我们以后的学习工作打下了基础。