（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）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 ）。
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。
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1. 2. 3. 每个同学选择不同的被控对象：5104.G(s)e 「s(0.8s+1)(0.4s+1)G(s)5 6 *e".5s(s+1)(0.2s+1)-5讣(^冇28- 1s G （s ）e Is（0.8s+1）（0.3s+1）G(s) e-°.5s(0.4s 十 1)(0.5s+1)G(s)8e~2s(0.8s+1)(0.2s+1)- 5 2s G(s)e 2s(0.8s+1)(0.2s+1)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MA TLAB 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 (15)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：4. 对象的纯延迟环节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 （S ）（1-e - T s）, T 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 -Ts 在闭环控制回路之外,G(s) =5(s 1)(0.2s 1)-1.5 s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T ,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*k) =r(k)-y(k)。
u(t)为输出的控制量，采样u(t)、y T (t)，计算e2(k) =e i(k)-y T (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采样电路牛I—I----- 1Hi"<_--------- 1----500KD4-0DUD4-2申M4UI-5Di6[B-7ALEEH^LE/AJOrAjfi A/DLL3HZZF2 WKvccni-?&HD图2 A/D采样电路的实现PMD<B—IU+严I_LuFADMADM：J1Eg STAET0 OLClCk册)轴U1U5AJIOYCAlI J NISH74ACJ4IIDWDEOE9_~6 AL!E】2j DOUIDKJNJNr2TH3RMJK.6(Mt-iIK-flJN-7GND-||册卜M3______________K5|—jlO^UUA"■2诵国$4巾墙[vuc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0V 。
就是说，输入是 Uin=(Uout+Vcc)/2,因此在 -5V~+4.96V ，对应数字量输出双极性实现电路3.3输入双极性的实现IN-6 IN-7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 到外端口的电压 Uout 和进入转换的电压Uin 的关系旦的电压可以实现转换的功能，模拟量的输入允许范围为： 3.4 D/A 输出双极性的实现IN7 端口加上-5V~+4.96V 00H~FFH 0V 对应 80H 。
FOO30/I0W% /I0Y1吃 曲7 M 8 D59 D4 10 D311 D2 12DI13I] 14DAOA/B WR CSVsfB MA AH-GHDHi5bB7DB6 RihBDE5DB4 OUT-BDB3DBSDEIRMbbDBO 彳OUT-ARfbA ■GNDOUT-AVCC图 4 D/A 1113 TLC732820 OUT-B13Z -- 1 1KR32R3?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 i ,该电压的大小为 ，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 0UT-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 。