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. 每个同学选择不同的被控对象：5100.5 1.5(),()(1)(0.81)(1)(0.41)s sG s e G s e s s s s --==++++8810.5(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)s sG s e G s e s s s s --==++++581.52(),()(1)(0.21)(0.81)(0.21)s s G s e G s e s s s s --==++++5512(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21)s s G s e G s e s s s s --==++++eτ-用软件通过数组单元移位实现。
4. 对象的纯延迟环节s5. 定时中断间隔可在10-20ms中选取，采样周期T取采样中断间隔的整数倍，可取30-50ms。
6. PID控制器可用凑试法整定。
有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。
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目录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)3.2 A/D采样电路 (3)3.3 输入双极性的实现 (3)3.4 D/A输出双极性的实现 (4)3.5 A/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)5.2.1 function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)6.2 PID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 (14)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. 每个同学选择不同的被控对象：se s s s G 5.1)12.0)(1(5)(-++=4. 对象的纯延迟环节seτ-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 p (S)(1-e -τs), τ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sP P e s G s D s G s D s τφ-+=)()(1)()()(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 -τs 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τ，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 1(k ）=r(k)-y(k)。
u(t)为输出的控制量，采样u(t)、y τ(t)，计算e 2(k ）=e 1(k)-y τ(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。
3.2 A/D采样电路图2 A/D采样电路的实现A/D采样电路如图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)。
3.3 输入双极性的实现图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~FFH ，2.5V 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0V 。
就是说，输入到外端口的电压Uout 和进入转换的电压Uin 的关系是Uin=(Uout+Vcc)/2,因此在IN7端口加上-5V~+4.96V 的电压可以实现转换的功能，模拟量的输入允许范围为：-5V~+4.96V ，对应数字量00H~FFH ，0V 对应80H 。
3.4 D/A 输出双极性的实现图4 D/A 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，R 31左端的电压为转换输出的单极性电压V 1,该电压的大小为nref D V V 2*1-= ，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OUT-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：3113332341R V R R V R OUT CC -=++- ,故有 )(113134333234V R R V R R R OUT CC ++-=-，只要调试R 32，使得R 32+R 33=2K ，那么就有输出的电压)12(11-=--n CC DV OUT ，综上，实现了D/A 转换的双极性输出。
3.5 A/D、D/A端口地址的转换图5 A/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SN74AC241DW输出/A20、/A23~/A27，再经过三个与门U10、U11、U12，然后通过一个三输入与非门输出ANDOUT，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。