第一篇：數(shù)字PID控制器設(shè)計
數(shù)字PID控制器設(shè)計
設(shè)計任務(wù)：
設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。
具體要求：
1.采用Matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和模擬仿真，給出仿真結(jié)果。
2.設(shè)計報告內(nèi)容包含數(shù)字PID控制器的設(shè)計步驟、Matlab仿真的性能曲線、采樣周期T的選擇、數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)和差分方程形式。
3.設(shè)計工作小結(jié)和心得體會。4.列出所查閱的參考資料。
數(shù)字PID控制器設(shè)計報告
一、設(shè)計目的 了解數(shù)字PID控制算法的實現(xiàn)；
掌握PID控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；
能夠運用MATLAB/Simulink 軟件對控制系統(tǒng)進行正確建模并對模塊進行正確的參數(shù)設(shè)置；
加深對理論知識的理解和掌握； 5 掌握計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。
二、設(shè)計要求
1采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。
2熟練掌握PID設(shè)計方法及MATLAB設(shè)計仿真。
三、設(shè)計任務(wù)
設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。
四、設(shè)計原理
1.數(shù)字PID原理結(jié)構(gòu)框圖
2.增量式PID控制算法
?u?k??KPe?k??KI?e?i??KD??e?k??e?k?1??i?0?
=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)
=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
=(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)整理：
Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd
B=-(Kp+2Kd)C=Kd
五、Matlab仿真選擇數(shù)字PID參數(shù)
（擴充臨界比例度法/擴充響應(yīng)曲線法 具體整定步驟）
利用擴充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)，擴充臨界比例帶法是以模擬PID調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID參數(shù)的整定方法。其整定步驟如下：； 1)選擇合適的采樣周期T；
2)在純比例的作用下,給定輸入階躍變化時,逐漸加大比例作用Kp(即減小比例帶?),直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩,記錄比例增益Kc,及振蕩周期Tc。Kc成 為臨界振蕩比例增益(對應(yīng)的臨界比例帶?),Tc成為臨界振蕩周期。
=1/150S^3+6/25S^2+37/30S+1 在MATLAB下輸入如下程序：
num=[1];
den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[20:2:45];for i=1:length(p)
Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid
title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：
調(diào)整參數(shù)：p=[35:2:45] 程序如下： num=[1];
den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[35:2:45];for i=1:length(p)
Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：
由圖像可知：當Kp在40~45之間時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩。為進一步得到準確的Kp，調(diào)整程序參數(shù)p=[40:1:45]，程序如下： num=[1];
den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[40:1:45];for i=1:length(p)
Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid
title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：
由圖像進一步精確得Kc約為43時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，震蕩周期Tc約為0.5s。
擴充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)的計算公式如下表所示：
3）選擇控制度?？刂贫鹊亩x為數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)所對應(yīng)的過度過程的誤差平方積分之比，即控制度=?0??2eDdt?0edt2式中，eD為數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制誤差;e為模擬調(diào)節(jié)器的控制誤差.當控制度為1.05時,數(shù)字調(diào)節(jié)器魚模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相當;當控制度為2時,數(shù)字調(diào)節(jié)器比模擬調(diào)節(jié)器的控制效果差一倍；在此選控制度為1.05。按選擇的控制度指標及Tc,Kc實驗測得值,由查表選擇相應(yīng)的計算公式計算采樣周期：T=0.007，Kp=27，Ti=0.245，Td=0.07;KI?KiT?KPT=0.77，KD?Kd?KPTD=270，Ki=0.23
TITTTc=0.5 則T=Tc*0.014=0.5*0.014=0.007;
Kp=Kc*0.63=43*0.63=27.09;
Ti=Tc*0.49=0.5*0.49=0.245;
Td=Tc*0.14=0.5*0.14=0.07;
Kp=27.09;
Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;
Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09;
六、Matlab/Simulink 控制系統(tǒng)建模 1.控制器
ΔU(Z)=(Kp+Ki+Kd)E(Z)-(Kp+2Kd)/Z*E(Z)+Kd/Z^2*E(Z)則D(Z)=ΔU(Z)/E(Z)=(Kp+Ki+Kd)-(Kp+2Kd)/Z+Kd/Z^2 =[(Kp+Ki+Kd)Z^2-(Kp+2Kd)Z+Kd]/Z^2 2.仿真模型圖
將 Kp=27.09;
Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;
Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09帶入，得：
Kp+Ki+Kd=27.09+0.774+270.09=297.95 Kp+2Kd=27.09+2*270.09=567.27 Kd=270.09
即D(Z)=[297.95*Z^2-567.27*Z+270.09]/Z^2
G0(S)=43/[0.00667S^3+0.24S^2+1.2333S+1] 3.輸出階躍響應(yīng)曲線
Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：
4、試湊法微調(diào)參數(shù) 由階躍響應(yīng)圖像可得：
Y(∞）=0.96，則穩(wěn)態(tài)誤差Ess=1-0.96=0.04 超調(diào)量
=（1.1-0.96）/0.96*100%=14.6% 調(diào)整時間Ts=0.27s
系統(tǒng)有少量的穩(wěn)態(tài)誤差，則適當增大KI參數(shù)，使得KI參數(shù)由0.774變?yōu)?.774；
Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：
由圖像可知：此時穩(wěn)態(tài)誤差Ess減為1-0.98=0.02，超調(diào)量=(1.1-1)/1*100%=10%,調(diào)整時間減少為Ts=0.15s，但該曲線不夠平滑，調(diào)整：Kp=36.08，Ki=2.770，Kd=270.08，降低傳遞函數(shù)的K值為36
Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：
此時穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0，調(diào)整時間Ts為0.3s，超調(diào)量為(1.05-1)/1*100%=5%,基本符合要求
5.最終PID參數(shù)及輸出響應(yīng)曲線 當Kp=36.08 Ki=2.770 Kd=270.08時
最終輸出階躍響應(yīng)曲線為：
七、設(shè)計心得體會
通過這次設(shè)計，重新認識了計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，基本掌握了數(shù)字PID控制的基本規(guī)律，也認識到計算機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，檢驗了我所學(xué)的知識，體會了控制系統(tǒng)三大指標“穩(wěn)，準，快”的意義.加深了我對自動控制系統(tǒng)的了解，同時也對比例、積分、微分控制有了更進一步的認識。
比例系數(shù)的加大，將使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大比例系數(shù)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差。但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。而微分作用的增加則可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也可能降低系統(tǒng)的抗干擾能力。比例+積分控制器可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。而比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
這次設(shè)計過程讓我們把理論知識付諸于實踐，這對以后的學(xué)習(xí)帶來了更大的 幫助!
八、參考文獻
1．陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2009 2．趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009
第二篇：AB PLC PID控制器總結(jié)
針對AB PLC里的PID控制器的研究
首自信熱軋作業(yè)區(qū)
張余海
借鑒熱軋1580的稀油泵站的出口壓力控制，期望壓力為4.0bar，電機為異步變頻電機，變頻器為AB變頻器，PLC和變頻器的通訊通過Device Net進行數(shù)據(jù)交換。
一、控制器里的變量介紹--------
各變量名解釋：（各變量只是顯示用，他們的值時根據(jù)里面的參數(shù)設(shè)定而來）PID ：PID控制器的名字（自己命名）
Process Variable ：過程變量的輸入源設(shè)定也就是反饋值（直接連到壓力反饋的輸入點）Tieback：手動控制時的牽引信號，因為在手動控制中，輸出（OUTPUT=SETOUTPUT是人為設(shè)定的，這個Tieback有個對應(yīng)的值，也就是手動設(shè)定為0，Tieback為0，如果手動設(shè)定為100%，那么Tieback輸出就是4095）具體見后面的參數(shù)設(shè)定。
Control Variable：控制變量（最關(guān)鍵的一個參數(shù)）的輸出源設(shè)定，自己命令的一個中間變量作為轉(zhuǎn)換或者直接接到給到執(zhí)行器的輸出信號上（例如閥的開口度、電機的轉(zhuǎn)速給定）。PID控制器計算得到的是一個百分數(shù)，但是百分數(shù)無法輸出給執(zhí)行機構(gòu)，必須轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，這個控制變量（CV）就是依照對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量（例如OUTPUT=0，CV=0，OUTPUT=100%，CV=16384，具體見后面參數(shù)設(shè)定）
PID Master Loop：PID的主循環(huán)，就是PID控制使用串級控制，如果是就會顯示為1，如果為從就為0，但是有一個前提就是選用了串級控制（看后面的參數(shù)設(shè)定）
Ihhold Bit ：初始化保持位，來自1756模擬量輸出通道的數(shù)據(jù)讀出值，用于支持無沖擊在啟動，如果用戶不想用此參數(shù)，可以設(shè)置為0。
Inhold Value：初始化保持值，來自1756模擬量輸出通道的數(shù)據(jù)讀出值，用于支持無沖擊在啟動，如果用戶不想用此參數(shù)，可以設(shè)置為0。
這兩個值是為了防止系統(tǒng)已運行，過程變量和設(shè)定偏差太大，PID控制器輸出肯定是100%，帶來很大的沖擊，如果設(shè)置此參數(shù)，系統(tǒng)先不讓PID控制器工作，輸出一直用Inhold Value（初始化保持值），這個值可以人為的設(shè)定慢慢的變大，等到系統(tǒng)壓力差不多達到設(shè)定壓力后，然后將Ihhold Bit（初始化保持位）置0，這樣系統(tǒng)輸出就會采用PID控制器的輸出了。
SetPoint：設(shè)定值，Process Variable ：過程變量的實際值顯示
OUTPUT：PID控制器經(jīng)過計算得到的輸出，百分數(shù)形式。
二、參數(shù)設(shè)置：
1、調(diào)節(jié)方式參數(shù)設(shè)置
2、PID功能塊的配置參數(shù)設(shè)置
注：（1）如果控制動作選用的是E=SP-PV那么PID的輸出就可以直接給到執(zhí)行器進行動作，如果選用的是E=PV-SP那么輸出就需要變方向，（2）控制變量上下限為了防止輸出過大，導(dǎo)致沖擊，下限是為了防止停轉(zhuǎn)等。
（3）設(shè)置死區(qū)時間是為了防止實際值在設(shè)定值附近的時候，PID進行微調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)來回的振蕩。
3、PID控制器的報警參數(shù)設(shè)置
注：（1）PV上限值報警和下限值報警時為了報出實際值的過大變化，這里的40.0實際上是4.0bar，因為在AB PLC里有一個工程量的變換，一般是10倍關(guān)系（見相關(guān)的比例定標配置）
4、相關(guān)的比例定標配置
注：（1）PV未定標（unscaled）的最大值就是現(xiàn)場實際的壓力反饋值，這里設(shè)定是16bar，而工程量單元（Engineering）是實際值的10倍關(guān)系，所以是160，而在PID功能塊里用的都是工程量，所以不管是設(shè)定值和反饋值都是放大十倍關(guān)系的。
（2）控制變量的定標就是將PID控制器的輸出0—100%和數(shù)字量0—16384（一個整形數(shù)）進行對應(yīng)，所以在PID控制器里，OUTPUT是百分數(shù)，而Control Variable 是整形數(shù)，就是在這里進行了轉(zhuǎn)換。
（3）Tieback牽引值是為了在手動模式下，手動輸入Setoutput的大小之后，那個百分數(shù)就不按照0—16384進行轉(zhuǎn)換，而是按照0—4095進行轉(zhuǎn)換。
5、標簽參數(shù)設(shè)置
設(shè)置此PID控制器的名字和相關(guān)描述。
二、PID的公式計算
我們就拿上面的工程進行計算PID計算。
參數(shù)設(shè)置的是PI控制，P=2.5，Ti=0.08，Td=0，BIAS=0，對PV進行微分，采樣周期為0.4s，實際值數(shù)據(jù)是0.01S，那么如果現(xiàn)在PV=2.0BAR，那么輸出應(yīng)該是多少，E=SP-PV=4-2=2
具體的計算要進行分時間進行計算，因為PID控制器的周期是0.4S，但是PV數(shù)據(jù)采集周期可能是0.1S，那就是E的計算會很快，例如0.1S時為2，0.2S時為1，0.3S時為0.5，0.4S時為0.2，但是輸出計算只能是0.4S輸出一次，那樣的話，系統(tǒng)只會要0.4S的那個時候的誤差，在0-0.4S之間變化的誤差時不考慮的，也就是輸出應(yīng)該為。
CV=2.5[2+1/0.08*0.2(0.4-0)]=7.5%（控制器的掃描周期是0.1s,IO的刷新周期是0.01s，那么中間掃描進來的 IO都不會被使用到）并不是下面的公式：
CV=2.5[2+1/0.08*2(0.1-0)]+2.5[1+1/0.08*1(0.2-0.1)]+2.5[0.5+1/0.08*0.5(0.3-0.2)]+2.5[0.2+1/0.08*0.2(0.4-0.3)]=2.5*4.5+2.5*2.25+2.5*1.125+2.5*0.45=20%
第三篇：最少拍數(shù)字控制器的設(shè)計
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
摘要
本次設(shè)計針對一階慣性積分系統(tǒng)在單位速度信號輸入作用下進行最少拍數(shù)字控制器的設(shè)計，驗證了最少拍控制器的優(yōu)點，并對最少拍算法進行理論分析，分別設(shè)計出最少拍有紋波和無紋波數(shù)字控制器，利用 MATLAB 仿真平臺對設(shè)計的最少拍數(shù)字控制器進行系統(tǒng)仿真研究，并對有紋波和無紋波系統(tǒng)進行對比研究。
關(guān)鍵詞
最少拍控制；無紋波控制器；有紋波控制器；Matlab仿真
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
目錄
摘要……………………………………………………………………………………1 第一章 最少拍有紋波控制器設(shè)計………………………………………………….3 1.1 設(shè)計原理……………………………………………………………………3 1.2 設(shè)計舉例……………………………………………………………………5 第二章 最少拍無紋波控制器設(shè)計………………………………………………….5 2.1 設(shè)計原理……………………………………………………………………5 2.2 設(shè)計舉例……………………………………………………………………6 第三章 基于Matlab的最少拍控制的實現(xiàn)…………………………………………7 3.1 輸入單位階躍信號…………………………………………………………7 3.2 輸入單位速度信號…………………………………………………………8 3.3 輸入單位加速度信號……………………………………………………9 參考文獻………………………………………………………………………………10 致謝……………………………………………………………………………………11
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
最少拍系統(tǒng)控制設(shè)計是指系統(tǒng)在典型輸入信號（如單位階躍輸入信號、單位速度輸入信號、單位加速度輸入信號等）作用下，經(jīng)過最少拍（有限拍），使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。最少拍控制系統(tǒng)也稱為最少拍無差系統(tǒng)、最少拍隨動系統(tǒng)，實際上是時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能指標就是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間最短或者盡可能的短?？梢钥闯?，這種系統(tǒng)對閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的要求是快遞性和準確性。最少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計與被控對象的零極點位置有很密切的關(guān)系。
第一章 最少拍有紋波控制器設(shè)計
1.1設(shè)計原理
由系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)可以看出，在Φ（z）中，D(z)和G（z）總是成對出現(xiàn)的。只有當廣義對象穩(wěn)定[即G（z）在z平面單位圓上和單位圓外沒有極點]且不包含純滯后環(huán)節(jié)時，上述方法才是可行的，否則，不允許D（z）與G（z）發(fā)生零極點對消。這是因為，簡單地利用D（z）的零點去對消G（z）不穩(wěn)定極點，雖從理論上來說可以得到一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)，但這種穩(wěn)定是建立在零極點完全對消的基礎(chǔ)上的。當系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生飄逸，或者對象辨識有誤差時，這種零極點對消就不可能準確實現(xiàn)，從而引起閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。座椅建立在零極點對消基礎(chǔ)上的穩(wěn)定系統(tǒng)實際上是不可能穩(wěn)定工作的，沒有實用價值。
當G（z）含有單位圓上或單位圓外零極點時，為保證D(z)與G（z）不會發(fā)生零極點對消，在選擇Φ（z）時，必須附加一個穩(wěn)定性約束條件。
設(shè)廣義脈沖傳遞函數(shù)G(z)為
u?G(z)?i?1vi?1(1?bizz?1)G'(z)
?(1?a?1i)式中，b1、b2、…、bu 為G（z）的u個不穩(wěn)定零點，a1、a2、…、av 為G（z）的v個不穩(wěn)定極點，G'(z）為G（z）中不包含單位圓上或單位圓外的零極點部分。當對象不包含延遲環(huán)節(jié)時，m=1；當對象包含延遲環(huán)節(jié)時，m>1。
為避免發(fā)生D()與G()的不穩(wěn)定零極點發(fā)生對消，Φ（z）應(yīng)該滿足如下穩(wěn)定性條件：
①在?e(z)的零點中，必須包含G(z)在z平面單位圓外或單位圓上的所有極點，即：
v?e(z)?1??(z)??i?1(1?aiz?1)F1(z)
F1(z)為z-1的多項式，且不包含G(z)中的不穩(wěn)定極點ai。
②）在?(z)的零點中，必須包含G(z)在z平面單位圓外或單位圓上的所有零點，即：
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
u?(z)??i?1(1?biz?1)F2(z?1)
式中，F(xiàn)2(z)為z-1的多項式，且不包含G(z)中的不穩(wěn)定零點bj。因此，滿足了上述穩(wěn)定性條件后
?11?(z)F2(z)D(z)??,?1?1 G(z)(1??(z)G'(z)F1(z)即D(z)不在包含G（z）的z平面單位圓上或單位圓外零極點。
1.2 設(shè)計舉例
對于給定一階慣性加積分環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為1S，增益為10，采樣周期T為1S的對象，其傳遞函數(shù)為：Gc(S)=10/S(S+1)，針對單位階躍信號輸入，設(shè)計最少拍系統(tǒng)如下： 被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為：
?1?e?Ts??G(s)c??s?H(s)?Gc(s)???G(z)=Z=Zz?1??1?2?s(s?1)?-1?=10(1-z)Z
(1?0.717z?1?1)?1=3.68×(1?z)(1?0.368z)
(1)由（1）式知 d=0，u=0，v=1，j=1，q=2，且j≤q，則有：
m=u+d＝0 n=v-j+q＝2 對單位速度輸入信號，選擇
v?j?e(z)?1??(z)?[?(1?aizi?1u?1)](1?z?1)F1(z)q?(1?z?1)2
?(z)?z?d[?(1?bizi?1?1)]F2(z)?f21z?1?f22z?2
結(jié)合得 ?e(z)?1??(z)1?f21z?1
?(1?z?1?f22z?2)2
f21?2,f22??1根據(jù)多項式相等，其系數(shù)相等的的性質(zhì)，有所以，?(z)?2z?1
?z?
2?F2(z)?1q?jD(z)?1?(z)G(z)1??(z)
G'(z)(1?z)F1(z),j?q
?1?(1?0.368z3.68z?1)(2z?1?z?2)?
1(1?0.718z?1)(1?z)
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
?0.543(1?0.5z?1)(1?0.368z)(1?z?1?1)
從而，E(z)?R(z)?e(z)?1?1(1?0.718z?1)（2）
?Tz(1?zTz)2(1?z?1)2?z?1
?1?1
Y(z)?R(z)?(z)?(1?z)2(2z?1?z?2)?2z?2?3z?3?4z?4?...U(z)?E(z)D(z)?z.?10.543(1?0.5z?1)(1?0.368z)(1?z?1?1)(1?0.718z?0.54z?1)
?0.40z?
3?1?0.32z?2?0.12z?4?0.25z?5?...其控制器輸出與系統(tǒng)輸出如下圖所示：
u y0.5 012345t/T 1
012345t/T
最少拍控制器設(shè)計是采用z變化進行的，僅在采樣點處是閉環(huán)反饋控制，在采樣點間實際上是開環(huán)運行的。因此，在采樣點處的誤差是零，并不能保證采樣點之間的誤差也為零。事實上，按前面的方法設(shè)計的最少拍控制器的輸出響應(yīng)在采樣點間存在波紋。
如上圖所示，經(jīng)過2拍后，在采樣時刻系統(tǒng)誤差為零，輸出跟蹤上了輸出的變化，但在非采樣時刻，輸出有波紋存在，原因在于數(shù)字控制器的輸出u(kT)經(jīng)過2拍后不為零或常值，而是振動收斂。波紋不僅造成誤差，同時也消耗功率、浪費能量，增加機械磨損，因此，設(shè)計時應(yīng)考慮加以消除。
第二章 最少拍無紋波控制器設(shè)計
2.1設(shè)計原理
①設(shè)計最少拍無紋波控制器的必要條件 很明顯，為使被控對象在穩(wěn)態(tài)時的輸出和輸入同步，要求被控對象必須具有相應(yīng)的能力。例如，如輸入為等速輸入函數(shù)，被控對象G()的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)為等速函數(shù)。因此就要求G()中至少有一個積分環(huán)節(jié)。再如，若輸入為等加速度輸入函數(shù)，則被控對象G()的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)為等加速函數(shù)，要求G()中至少有兩個積分環(huán)節(jié)。所以最少拍無紋波控制器能夠?qū)崿F(xiàn)的必要條件是被控對象G（）中含有與輸入信號相對應(yīng)的積分環(huán)節(jié)數(shù)。
離散控制系統(tǒng)最少拍控制
②最少拍無紋波系統(tǒng)確定Ф(z)的約束條件
要使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出無紋波，就要求穩(wěn)態(tài)時的控制信號u(k)為常值（包括0）。由Y(z)??(z)R(z)?G(z)U(z)可知
U(z)= ?(z)R(z)/G(z)要使u(kT)在穩(wěn)態(tài)時無波動，就意味著U(z)與R（z）之比為的有限項多項式。而這要求?(z)R(z)包含G（z）的所有零點。即
w?(z)??i?1(1?biz?1)F(z?1)
2.2 設(shè)計舉例
仍然按照有紋波控制器的設(shè)計步驟設(shè)計 同樣的，由（1）式知
被控對象不含純滯后z-d，d=0;共包含一個零點b1 =-0.718, w=1;包含一個單位圓外或單位圓上的極點，v=1，且一個極點在單位圓上，j=1； 輸入信號為單位速度，q=2，且j m=w+d＝1 n=v-j+q＝2 因此：F1(z)?1?f11z?1 F2(z)?f21z?1?f22z?2 對單位速度輸入信號，選擇 v?j?e(z)?1??(z)?[?(1?aizi?1?1)](1?z?1)F1(z),q?jq ?12?1) ?(1?zw)(1?f11z?(z)?z?d[?(1?bizi?1?1)]F2(z)?(1?0.718z?1)(f21z?1?f22z?2) 由?e(z)?1??(z)得 ?1(1?z)(1?f11z2?1)?1?(1?0.718z?1)(f21z?1?f22z?2) ?3展開有 ： 1?(f11?2)z?1?(1?2f11)z?2?f11z?3?1?f21z?1?(f22?0.718f21)z?2?0.718f22z 對應(yīng)系數(shù)相等，得：f11?0.592，f21?1.408，f22??0.825 離散控制系統(tǒng)最少拍控制 故有 ?e(z)?(1?z?1)(1?0.592z?12?1) ?0.825z?2?(z)?(1?0.718z)(1.408z?1) 最后，求得數(shù)字控制器的脈沖函數(shù)為 D(z)?1?(z)G(z)1??(z)?0.383?(1?0.5859z(1?0.592z?1?1)(1?0.368z?1?1))(1?z)（3） 閉環(huán)系統(tǒng)的輸出序列為 Y(z)?R(z)?(z)?Tz(1?z?3?1?1)2(1?0.718z?1)(1.408z?1?0.825z?2) ?...?1.41z?2?3z?4z?4 ?1E(z)?R(z)?e(z)Y(z)G(z)?Tz(1?z?1?1)2(1?z)(1?0.592z2?1)?z?1?0.592z?2 U(z)??R(z)?(z)G(z)?0.38z?1?0.02z?2?0.09z?3?0.09z?4?...其控制器輸出與系統(tǒng)輸出如下圖所示： u0.4y4321012345t/T012345t/T 第三章 基于Matlab的最少拍控制的實現(xiàn) 3.1輸入單位階躍信號 計算可得到最少拍數(shù)字控制器為 離散控制系統(tǒng)最少拍控制 檢驗誤差序列： 運用Simulink 對其控制結(jié)果進行仿真，系統(tǒng)Simulink 仿真模型框圖如下圖所示： 將示波器的數(shù)據(jù)存為矩陣形式，命名為y1 在Matlab 命令窗口輸入： >> plot(tout(:,1),y1(:,2:4));>> hold on,legend(' 輸入','誤差','輸出')可得輸入、輸出和誤差三條曲線仿真結(jié)果如下圖所示： 3.2輸入單位速度信號 原理同上 D(Z)??(z)G(z)(1??(z))?0.5434(1?0.5(1?z?1)(1?0.3679z?1)z?1)(1?0.718z?1) 檢驗誤差： z 控制系統(tǒng)Simulink 框圖如下圖所示： E(z)?(1??(z))R(z)??1 離散控制系統(tǒng)最少拍控制 輸入、輸出和誤差三條曲線仿真結(jié)果如下圖所示： 3.3輸入單位加速度信號 原理同上 檢驗誤差： 控制系統(tǒng)Simulink 框圖如下圖所示： 輸入、輸出和誤差三條曲線仿真結(jié)果如下圖所示： 離散控制系統(tǒng)最少拍控制 參考文獻 [1] 李元春.計算機控制系統(tǒng).高等教育出版社.133-145 [2] 畢效輝.自動控制理論.中國輕工業(yè)出版社.321-327 離散控制系統(tǒng)最少拍控制 致謝 一種是利用PLC的固定模塊來實現(xiàn)（PLC400的現(xiàn)成模塊）；一種是自己編程實現(xiàn)（TDC） 自動化控制系統(tǒng)的核心是控制器。控制器的任務(wù)是按照一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生滿足工藝要求的控制信號，以輸出驅(qū)動執(zhí)行器，達到自動控制的目的。在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中，控制器的控制規(guī)律或控制作用是由儀表或電子裝置的硬件電路完成的，而在計算機控制系統(tǒng)中，除了計算機裝置以外，更主要的體現(xiàn)在軟件算法上，即數(shù)字控制器的設(shè)計上。 1、王琦，計算機控制技術(shù) 1)p19 模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的區(qū)別； 2)p166 PID工程整定方法。 3)p196安裝調(diào)試步驟等。 2、李江全，計算機控制技術(shù)項目教程（見PPT電子文檔） 1)P185計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則； 2)P194 計算機控制系統(tǒng)的總統(tǒng)方案設(shè)計； 3)P205計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計； 4)P208 計算機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計； 5)P226計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試與運行； 6)P229 計算機控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計 3、嚴海穎 計算機控制技術(shù) 1)p96 數(shù)字濾波技術(shù)和線性化處理等 4、《計算機控制》-鄔學(xué)禮 趙瑩琳等 控制器的實現(xiàn)問題 5、ta 1．滿足工藝要求 在設(shè)計計算機測控系統(tǒng)時，首先應(yīng)滿足生產(chǎn)過程所提出的各種要求及性能指標。因為計算機測控系統(tǒng)是為生產(chǎn)過程自動化服務(wù)的，因此設(shè)計之前必須對工藝過程有一定的熟悉和了解，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)該和工藝人員密切結(jié)合，才能設(shè)計出符合生產(chǎn)工藝要求和性能指標的測控系統(tǒng)。設(shè)計的測控系統(tǒng)所達到的性能指標不應(yīng)低于生產(chǎn)工藝要求，但片面追求過高的性能指標而忽視設(shè)計成本和實現(xiàn)上的可能性也是不可取的。 2．可靠性要高 系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在現(xiàn)代生產(chǎn)和管理中，計算機測控系統(tǒng)起著非常重要的作用，其安全可靠性，直接影響到生產(chǎn)過程連續(xù)、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行。計算機測控系統(tǒng)通常都是工作在比較惡劣的環(huán)境之中，各種干擾會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響，各種環(huán)境因素（如粉塵、潮濕、震動等）也是對系統(tǒng)的考驗。而計算機測控系統(tǒng)所控制的對象往往都是比較重要的，一旦發(fā)生故障，輕則影響生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，帶來經(jīng)濟損失；重則會造成重大的人身傷亡事故，產(chǎn)生重大的社會影響。所以，計算機測控系統(tǒng)的設(shè)計總是應(yīng)當將系統(tǒng)的可靠性放在第一位，以保證生產(chǎn)安全、可靠和穩(wěn)定地運行。 3．操作性能要好 一個好的計算機測控系統(tǒng)應(yīng)該人機界面好、方便操作、運行，易于維護。 操作方便主要體現(xiàn)在操作簡單、顯示畫面形象直觀，有較強的人機對話能力，便于掌握。在考慮操作先進性的同時，設(shè)計時要真正做到以人為本，盡可能地為使用者考慮，兼顧操作人員的習(xí)慣，降低對操作人員專業(yè)知識的要求，使他們能在較短時間內(nèi)熟悉和掌握操作方法，不要強求操作人員掌握計算機知識后才能操作。對于人機界面可以采用CRT、LCD或者是觸摸屏，使得操作人員可以對現(xiàn)場的各種情況一目了然。 維護方便主要體現(xiàn)在易于查找故障、排除故障。為此，需要在硬件和軟件設(shè)計中綜合考慮。在硬件方面，宜采用標準的功能模板式結(jié)構(gòu)，并能夠帶電插拔，便于及時查找并更換故障模板；模板上應(yīng)配置工作狀態(tài)指示燈和監(jiān)測點，便于檢修人員檢查與維護。在軟件方面，設(shè)置檢測、診斷與恢復(fù)程序，用于故障查找和處理。 從軟件角度而言，要配置查錯程序和診斷程序，以便在故障發(fā)生時能用程序幫助查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間；在硬件方面，從零部件的排列位置，部件設(shè)計的標準化以及能否帶電插拔等諸多因素都要通盤考慮，系統(tǒng)設(shè)計要盡量方便用戶，簡化操作規(guī)程，如面板上的控制開關(guān)不能太多、太復(fù)雜等。 4．實時性要強 計算機測控系統(tǒng)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能及時地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。計算機處理的事件一般分為兩類：一類是定時事件，如數(shù)據(jù)的定時采集，運算控制等，對此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置時鐘，保證定時處理；另一類是隨機事件，如事故報警等，對此系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急預(yù)先分配中斷級別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。 5．通用性要好 通用性是指所設(shè)計出的計算機測控系統(tǒng)能根據(jù)各種不同設(shè)備和不同控制對象的控制要求，靈活擴充、便于修改。工業(yè)控制的對象千差萬別，而計算機測控系統(tǒng)的研制開發(fā)又需要有一定的投資和周期。一般來說，不可能為一臺裝置或一個生產(chǎn)過程研制一臺專用計算機，常常是設(shè)計或選用通用性好的計算機測控裝置靈活地構(gòu)成系統(tǒng)。當設(shè)備和控制對象有所變更時，或者再設(shè)計另外一個控制系統(tǒng)時，通用性好的系統(tǒng)一般稍作更改或擴充就可適應(yīng)。 計算機測控系統(tǒng)的通用靈活性體現(xiàn)在兩方面：一是硬件設(shè)計方面，首先應(yīng)采用標準總線結(jié)構(gòu)，配置各種通用的功能模板或功能模塊，并留有一定的冗余，當需要擴充時，只需增加相應(yīng)功能的通道或模板就能實現(xiàn)。二是軟件方面，應(yīng)采用標準模塊結(jié)構(gòu)，用戶使用時盡量不進行二次開發(fā)，只需按要求選擇各種功能 模塊，靈活地進行控制系統(tǒng)組態(tài)。 6．經(jīng)濟效益要高 在滿足計算機測控系統(tǒng)的技術(shù)性能指標的前提下，盡可能地降低成本，保證為用戶帶來更大的經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益表現(xiàn)在兩方面：一是系統(tǒng)設(shè)計的性能價格比要盡可能的高，在滿足設(shè)計要求的情況下，盡量采用物美廉價的元器件；二是投入產(chǎn)出比要盡可能的低，應(yīng)該從提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量、降低能耗、消除污染、改善勞動條件等方面進行綜合評估。另外，要有市場競爭意識，盡量縮短開發(fā)設(shè)計周期，以降低整個系統(tǒng)的開發(fā)費用，使新產(chǎn)品盡快進入市場。 7．開發(fā)周期要短 如果計算機測控系統(tǒng)的開發(fā)時間太長，會使用戶無法盡快地收回投資，影響了經(jīng)濟效益的提高；而且，由于計算機技術(shù)發(fā)展非?？?，只要幾年的時間原有的技術(shù)就會變得過時。設(shè)計與開發(fā)時間過長，等于縮短了系統(tǒng)的使用壽命。因此，在設(shè)計時，如何盡可能地使用成熟的技術(shù)，對于關(guān)鍵的元部件或軟件，不是萬不得已就不要自行開發(fā)。 計算機測控系統(tǒng)的設(shè)計與實施步驟 1．可行性研究階段 開發(fā)者要根據(jù)被控對象的具體情況，按照企業(yè)的經(jīng)濟能力、未來系統(tǒng)運行后可能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益、企業(yè)的管理要求、人員的素質(zhì)、系統(tǒng)運行的成本等多種要素進行分析。可行性分析的結(jié)果最終是要確定：使用計算機控制技術(shù)能否給企業(yè)帶來一定經(jīng)濟效益和社會效益。這里要指出的是，不顧企業(yè)的經(jīng)濟能力和技術(shù)水平而盲目地采用最先進的設(shè)備是不可取的。 2．初步設(shè)計階段 也可以稱為總體設(shè)計。系統(tǒng)的總體設(shè)計是進入實質(zhì)性設(shè)計階段的第一步，也是最重要和最為關(guān)鍵的一步。總體方案的好壞會直接影響整個計算機測控系統(tǒng)的成本、性能、設(shè)計和開發(fā)周期等。在這個階段，首先要進行比較深入的工藝調(diào)研，對被控對象的工藝流程有一個基本的了解，包括要測控的工藝參數(shù)的大致數(shù)目和測控要求、測控的地理范圍的大小、操作的基本要求等。然后初步確定未來測控系統(tǒng)要完成的任務(wù)，寫出設(shè)計任務(wù)說明書，提出系統(tǒng)的控制方案，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖，作為進一步設(shè)計的基本依據(jù)。 3．詳細設(shè)計階段 詳細設(shè)計是將總體設(shè)計具體化。首先要進行詳盡的工藝調(diào)研，然后選擇相應(yīng)的傳感器、變送器、執(zhí)行器、I/O通道裝置以及進行計算機系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計。對于不同類型的設(shè)計任務(wù)，則要完成不同類型的工作。如果是小型的計算機測控系統(tǒng)，硬件和軟件都是自己設(shè)計和開發(fā)；此時，硬件的設(shè)計包括電氣原理圖的繪制、元器件的選擇、印刷線路板的繪制與制作；軟件的設(shè)計則包括工藝流程圖的繪制、程序流程圖的繪制、將一個個模塊編寫成對應(yīng)的程序等。 4．系統(tǒng)實施階段 要完成各個元器件的制作、購買、安裝；進行軟件的安裝和組態(tài)以及各個子系統(tǒng)之間的連接等工作。 5．系統(tǒng)的調(diào)試（測試）階段 通過整機的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題，及時修改，例如檢查各個元部件安裝是否正確，并對其特性進行檢查或測試；檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力等。調(diào)試成功后，還要進行考機運行，其目的是通過連續(xù)不停機的運行來暴露問題和解決問題。 6．系統(tǒng)運行階段 該階段占據(jù)了系統(tǒng)生命周期的大部分時間，系統(tǒng)的價值也是在這一階段中得到體現(xiàn)。在這一階段應(yīng)該有高素質(zhì)的使用人員，并且嚴格按照章程進行操作，盡可能地減少故障的發(fā)生。 計算機測控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 確定計算機測控系統(tǒng)總體方案是進行系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵而重要的一步?？傮w方案的好壞，直接影響到整個測控系統(tǒng)的成本、性能、實施細則和開發(fā)周期等。總體方案的設(shè)計主要是根據(jù)被控對象的工藝要求確定。為了設(shè)計出一個切實可行的總體方案與實施方案，設(shè)計者必須深入了解生產(chǎn)過程，分析工藝流程及工作環(huán)境，熟悉工藝要求，確定系統(tǒng)的測控目標與任務(wù)。盡管被控對象多種多樣，工藝要求各不相同，在總體方案設(shè)計中還是有一定共性。 1．工藝調(diào)研 1）調(diào)研的任務(wù) 2）形成調(diào)研報告和初步方案 3）形成總體設(shè)計技術(shù)報告 2．硬件總體方案設(shè)計 1）確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型 2）確定系統(tǒng)的構(gòu)成方式 3）現(xiàn)場設(shè)備選擇 4）其他方面的考慮 3．軟件總體方案設(shè)計 軟件總體方案設(shè)計的內(nèi)容主要是確定軟件平臺、軟件結(jié)構(gòu)，任務(wù)分解，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略和控制算法等。在軟件設(shè)計也應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計方法，自上而下或自下而上地畫出軟件結(jié)構(gòu)方框圖，逐級細化，直到能清楚地表達出控制系統(tǒng)所要解決的問題為止。 在確定系統(tǒng)總體方案時，對系統(tǒng)的軟件、硬件功能的劃分要做統(tǒng)一的綜合考慮，因為一些控制功能既能由硬件實現(xiàn)，也可用軟件實現(xiàn)，如計數(shù)、邏輯控制等。 采用何種方式比較合適，應(yīng)根據(jù)實時性要求及整個系統(tǒng)的性能價格比綜合比較后確定。 5．系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)總體方案是硬件總體方案和軟件總體方案的組合體。 系統(tǒng)的總體方案反映了整個系統(tǒng)的綜合情況，要從正確性、可行性、先進性、可用性和經(jīng)濟性等角度來評價系統(tǒng)的總體方案。 作為總體方案的一部分，設(shè)計者還應(yīng)提供對各子系統(tǒng)功能檢測的一些測試依據(jù)或標準。對于較大的系統(tǒng)，還要編制專門的測試規(guī)范。 東南大學(xué) 《數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計》 設(shè)計報告 項目名稱： 交通燈控制器 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 實 驗 室： 電工電子實驗中心 組 別： 無 同組人員： 無 設(shè)計時間： 2016 年月 26 日 —— 2016 年 9 月 20日 評定成績： 審閱教師： 目錄 一.設(shè)計方案及論證……………………………………………… 3 二．模塊設(shè)計……………………………………………………… 5 三.總體設(shè)計與仿真……………………………………………… 10 四.總結(jié)…………………………………………………………… 12 一.設(shè)計方案及論證 1.設(shè)計使用環(huán)境 本交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計利用Verilog HDL語言進行設(shè)計編程，利用Cyclone EP1C6Q240C8芯片和一些外圍器件組成硬件電路，利用Quartus II軟件將編寫好的程序進行編譯和仿真，并將調(diào)試完成的程序下載到Cyclone EP1C6Q240C8芯片上，通過觀測電路板上的紅綠信號燈以及數(shù)碼管顯示來分析系統(tǒng)的性能。 2.設(shè)計任務(wù)分析 主干道與鄉(xiāng)村公路十字交叉路口在現(xiàn)代化的農(nóng)村星羅棋布，為確保車輛安全、迅速地通過，在交叉路口的每個入口處設(shè)置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈禁止通行；綠燈允許通行；黃燈亮則給行駛中的車輛有時間行駛到禁行線之外。主干道和鄉(xiāng)村公路都安裝了傳感器，檢測車輛通行情況，用于主干道的優(yōu)先權(quán)控制。 設(shè)計要求： 1)當鄉(xiāng)村公路無車時，始終保持鄉(xiāng)村公路紅燈亮，主干道綠燈亮。2)當鄉(xiāng)村公路有車時，而主干道通車時間已經(jīng)超過它的最短通車時間時，禁止主干道通行，讓鄉(xiāng)村公路通行。主干道最短通車時間為25s。 3)當鄉(xiāng)村公路和主干道都有車時，按主干道通車25s，鄉(xiāng)村公路通車16s交替進行。4)不論主干道情況如何，鄉(xiāng)村公路通車最長時間為16s。 5)在每次由綠燈亮變成紅燈亮的轉(zhuǎn)換過程中間，要亮5s時間的黃燈作為過渡。6)用開關(guān)代替?zhèn)鞲衅髯鳛闄z測車輛是否到來的信號。用紅、綠、黃三種顏色的發(fā)光二極管作交通燈。7)數(shù)碼管倒計時顯示 3.測量控制原理 1）通過乒乓開關(guān)來控制FPGA輸入信號的電平，從而控制交通燈工作。 2）利用FPGA輸出的電平信號去驅(qū)動靜態(tài)數(shù)碼管及三色小燈來模擬交通燈。 4.頂層設(shè)計方案框圖及說明 1）交通燈控制器框圖 C表示鄉(xiāng)村道路是否有車到來，1表示有，0表示無；SET用來控制系統(tǒng)的開始及停止；RST是復(fù)位信號，高電平有效，當RST為1時，恢復(fù)到初始設(shè)置；CLK是外加時鐘信號；MR、MY、MG分別表示主干道的紅燈、黃燈和綠燈；CR、CY、CG分別表示鄉(xiāng)村道路的紅燈、黃燈和綠燈，1表示亮，0表示滅。 2）流程圖 MGCR表示主干道綠燈，鄉(xiāng)村道路紅燈；MYCR表示主干道黃燈，鄉(xiāng)村道路紅燈；MRCG表示主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路綠燈；MRCY表示主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路黃燈；T0=1表示主干道最短通車時間到，T1=1表示5秒黃燈時間到，T2=1表示鄉(xiāng)村道路最長通車時間到。二.模塊設(shè)計 1.模塊功能及端口說明 1）分頻模塊 輸入端為clk_in，即實驗箱自帶脈沖輸入信號，輸出端為clk，即想得到的頻率。2）主控制模塊 輸入端為CLK、RST、C。其中c為鄉(xiāng)村道路開關(guān)，為1時表示鄉(xiāng)村道路有車；rst為初始化開關(guān)，為1時表示初始化為主干道綠燈，鄉(xiāng)村道路紅燈的狀態(tài)。 輸出端為MG、MY、MR、CG、CY、CR分別表示主干道和鄉(xiāng)村道路的紅黃綠燈，與LED燈相連；mh、ml、ch、cl分別表示主干道和鄉(xiāng)村道路倒計時顯示的高低位，與數(shù)碼管相連。 3）數(shù)碼管顯示模塊 輸入端為clk和count，輸出端為LED。 2.主要功能的設(shè)計方法 1）分頻模塊 試驗箱可選晶振有2M和50M，選擇使用2M后，設(shè)置分頻系數(shù)為2000000，每計數(shù)到1000000，則輸出取反，最終可得到1HZ的時鐘信號。 2）主控制模塊 設(shè)置兩個外部控制條件：初始化（RST）；鄉(xiāng)村干道是否有車（C）； 設(shè)置一個內(nèi)部計數(shù)變量：NUM，通過相關(guān)運算取余取整得到數(shù)碼管顯示高低位； 通過有限狀態(tài)機實現(xiàn)四個狀態(tài)的循環(huán)切換。 3.Verilog設(shè)計程序及說明 1）分頻模塊 module fre(clk_in,clk);input clk_in;output clk;reg clk;reg [31:0]k;always @(negedge clk_in)begin if(k>=1000000)//1000000分頻 begin clk<=~clk;//取反 k<=0;end else k<=k+1;//計數(shù) end endmodule 2）主控制模塊 module traffic(CLK,RST,C,MG,MY,MR,CG,CY,CR,mh,ml,ch,cl);input CLK,RST,C;output [3:0]mh,ml,ch,cl;output MG,MY,MR,CG,CY,CR;reg [3:0] mh,ml,ch,cl;reg MG,MY,MR,CG,CY,CR;reg [31:0] COUNT;reg [5:0]state;parameter s1=6'b100001,s2=6'b010001,s3=6'b001100,s4=6'b001010;always @(posedge CLK)if(RST)//初始化 begin state = s1;//最初狀態(tài)，主通行，鄉(xiāng)村不通行 MG=1;MY=0;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1;COUNT = 0; mh=2;//主干道綠燈25s，鄉(xiāng)村道路紅燈5s ml=5; ch=3; cl=0; end else case(state)s1: begin COUNT = COUNT+1; if((COUNT>=25)&&(C==1))//25s已計完且鄉(xiāng)村道路來車，跳轉(zhuǎn)到s2狀態(tài) begin state = s2;//主干道黃燈，鄉(xiāng)村道路紅燈 MG=0;MY=1;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1;COUNT = 0;mh=0;ml=5;ch=0;cl=5;end else if(COUNT<25)//25s沒有計完，保持s1狀態(tài) begin state = s1; MG=1;MY=0;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1; mh=(25-COUNT)/10;//取整取余換算，倒計時顯示 ml=(25-COUNT)%10;ch=(30-COUNT)/10;cl=(30-COUNT)%10;end else if(COUNT >= 25 && C == 0)//25s計完，鄉(xiāng)村道路仍然沒有車 begin state = s1;//保持s1 MG=1;MY=0;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1;mh=0;//數(shù)碼管顯示0 ml=0; ch=0; cl=0; end end s2: begin COUNT = COUNT+1; if(COUNT==5)//5s黃燈已計完 begin state = s3;//主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路綠燈 MG=0;MY=0;MR=1;CG=1;CY=0;CR=0;COUNT = 0; mh=2;//主干道21s紅燈，鄉(xiāng)村道路16s綠燈 ml=1; ch=1; cl=6; end else begin state = s2;//5s黃燈未計完時，保持s2狀態(tài) MG=0;MY=1;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1; mh=0; ml=5-COUNT; ch=0; cl=5-COUNT; end end s3: begin COUNT = COUNT+1; if(((COUNT>=16)&&(C==1))||(C==0))//鄉(xiāng)村道路16s通行時間已結(jié)束，不管有無來車，均跳轉(zhuǎn)s4狀態(tài) begin state = s4;//主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路黃燈 MG=0;MY=0;MR=1;CG=0;CY=1;CR=0; COUNT = 0; mh=0; ml=5; ch=0; cl=5; end else begin state = s3;//16s未結(jié)束，仍保持s3狀態(tài) MG=0;MY=0;MR=1;CG=1;CY=0;CR=0; mh=(21-COUNT)/10; ml=(21-COUNT)%10; ch=(16-COUNT)/10; cl=(16-COUNT)%10; end end s4: begin COUNT = COUNT+1;if(COUNT==5)//5s黃燈時間結(jié)束 begin state = s1;//回到s1狀態(tài) MG=1;MY=0;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1; COUNT = 0; mh=2; ml=5; ch=3; cl=0; end else begin state = s4;//否則保持s4狀態(tài) MG=0;MY=0;MR=1;CG=0;CY=1;CR=0; mh=0; ml=5-COUNT; ch=0; cl=5-COUNT; end end default: begin state = s1; MG=1;MY=0;MR=0;CG=0;CY=0;CR=1; COUNT = 0; mh=0; ml=5-COUNT; ch=0; cl=5-COUNT; end endcase endmodule 3）數(shù)碼管顯示模塊 module led(clk,count,LED);input clk;input [3:0]count;output [7:0]LED;reg [7:0]LED;always @(posedge clk)begin case(count) 4'b0000:LED=8'b00000011; 4'b0001:LED=8'b10011111; 4'b0010:LED=8'b00100101; 4'b0011:LED=8'b00001101; 4'b0100:LED=8'b10011001; 4'b0101:LED=8'b01001001; 4'b0110:LED=8'b01000001; 4'b0111:LED=8'b00011111; 4'b1000:LED=8'b00000001; 4'b1001:LED=8'b00001001; default:LED=8'b00000001;endcase end endmodule 4.仿真圖及說明 （1）分頻模塊 由于實際應(yīng)用中分頻較大，仿真時為方便觀察，將分頻頻數(shù)設(shè)置為20。輸入為clk_in,周期為10ns；輸出為clk，其周期為200ns，與理論值相符。（2）主控制模塊 與總體仿真相同，在此不再贅述。 三.總體設(shè)計與仿真 1.頂層設(shè)計圖及說明 fre為分頻模塊，traffic為主控制模塊，led為數(shù)碼管顯示模塊。輸入端有clk_in、c和rst，輸出端有MG、MY、MR、CG、CY、CR和mh、ml、ch、cl。 2.仿真圖及說明 輸入有：C、CLK和RST 輸出有：CG、CR、CY、MG、MR、MY、ch、cl、mh和ml C為鄉(xiāng)村道路是否來車，1表示來車，0表示無車；CLK為時鐘信號；RST為初始化功能，1有效；CG、CR、CY、MG、MR、MY分別表示鄉(xiāng)村道路綠燈、紅燈、黃燈，主干道綠燈、紅燈、黃燈；ch、cl、mh、ml分別表示鄉(xiāng)村道路和主干道紅綠燈倒數(shù)顯示高低位。 3.實驗結(jié)果 （1）鄉(xiāng)村道路無車時 鄉(xiāng)村道路無車時，主干道25s倒數(shù)，鄉(xiāng)村道路30s倒數(shù)結(jié)束后，保持0，且主干道綠燈亮，鄉(xiāng)村道路紅燈亮。（2）鄉(xiāng)村道路有車時 若鄉(xiāng)村道路一直有車，主干道25s（即S1狀態(tài)）倒計時結(jié)束后，主干道切換黃燈，鄉(xiāng)村道路保持紅燈（即S2狀態(tài)）；5s黃燈倒計時結(jié)束后，主干道切換紅燈，時間21s，鄉(xiāng)村道路切換綠燈，時間16s（即S3狀態(tài)）；鄉(xiāng)村道路16s綠燈結(jié)束后，切換黃燈，主干道保持紅燈（即S4狀態(tài)），5s黃燈結(jié)束后，回到S1狀態(tài)，即主干道25s綠燈，鄉(xiāng)村道路30s紅燈，若一直有車，則循環(huán)進行。 四.總結(jié) 1.實驗結(jié)果分析 （1）輸入與輸出 兩個開關(guān)：一個初始化控制開關(guān)，一個鄉(xiāng)村道路開關(guān)。初始化開關(guān)打開后復(fù)位，交通燈開始工作，鄉(xiāng)村道路打開表示鄉(xiāng)村公路上有車。 輸出：四個數(shù)碼管，兩個顯示主干道交通燈時間，兩個顯示鄉(xiāng)村道路時間；六個led燈，兩紅兩黃兩綠分別表示主干道和鄉(xiāng)村公路的紅黃綠燈。（2）運行過程 1）初始狀態(tài)（S1） 左側(cè)為主干道倒計時，右側(cè)為鄉(xiāng)村道路倒計時；主干道綠燈亮，鄉(xiāng)村道路紅燈亮。K1為初始化按鍵，K2為鄉(xiāng)村道路有無來車。 2）主干道25s綠燈結(jié)束后切換黃燈，鄉(xiāng)村道路紅燈（S2） 3）主干道5s黃燈結(jié)束，切換紅燈21s，鄉(xiāng)村道路切換綠燈16s（S3） 4）鄉(xiāng)村道路16s綠燈結(jié)束，切換黃燈，主干道紅燈（S4） 5s黃燈倒計時結(jié)束，回到S1狀態(tài)，若一直有車，則循環(huán)S1-S2-S3-S4-S1。 2.問題解決方法 問題1：數(shù)碼管顯示與紅綠燈切換不同時。 解決方法：紅綠燈輸出后面增加一延時模塊，延時一個CLK，使其與數(shù)碼管顯示同步。問題2：理解錯題意，在S3狀態(tài)（即主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路綠燈）時，此時若鄉(xiāng)村道 路無車通過，應(yīng)立即切換為S4狀態(tài)（即主干道紅燈，鄉(xiāng)村道路黃燈），而不是等當前計數(shù)結(jié)束再切換。 解決方法:將代碼修改為if(((COUNT>=16)&&(C==1))||(C==0))，修改后符合要求，解決了問題。 3.心得體會 通過此次系統(tǒng)設(shè)計，我對verilog HDL語言有了初步了解，并對利用quartus來進行系統(tǒng)設(shè)計有了更加深入的理解，操作也更加熟練。在設(shè)計過程中應(yīng)該先設(shè)計好總體架構(gòu)，再進行模塊的具體設(shè)計，通過分析每個模塊要實現(xiàn)的功能來寫代碼，并注意編寫注釋，便于以后的理解修改。編譯時要注意設(shè)置頂層文件，先進行仿真觀察結(jié)果是否正確，對代碼進行修改，仿真結(jié)果正確后再下載到硬件，測試系統(tǒng)功能。 參考書目： ［1］ 夏宇聞，《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程》，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2013年 ［2］ 王金明，《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與Verilog HDL》，北京，電子工業(yè)出版社，2011年第四篇：數(shù)字控制器工程實現(xiàn)
第五篇：數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計交通燈控制器
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