单片机课程设计-节日彩灯控制器设计资料.doc

单片机课程设计-节日彩灯控制器设计（完整版）资料
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邯郸学院课程设计报告

课程名称 单片机
题 目 节日彩灯控制器的设计
学 生
学 生
学 生
学 生
指导教师
年 级
专 业
二级学院

邯郸学院
2021年 1 月 5 日
邯郸学院《单片机》课程设计任务书

院别

专业

班级

课程设计题目
节日彩灯控制器的设计
课程设计
基
本
内
容
与
要
求
一、基本内容
以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器：
P1.2—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。
P1.3—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
P1.4—上，按此键则灯由上向下流动。
P1.5—下，按此键则灯由下向上流动。
二、功能要求
1、根据课题，查阅相关资料
 2、画出系统原理框图；
 3、画出单元电路图；
 4、编写相应部分程序；
5、撰写说明书
三、设计成果要求
1、课程设计报告（2000字）
2、设计能够实现上述功能的protues电路图和keil c程序。
主
要
参
考
文
献
1、靳达.单片机应用系统开发实例导航 北京：人民邮电出版社，2003.10 
2、张俊谟.单片机中级教程原理与应用 北京：北京航空航天大学出版社，2000.6 
3、何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计（系统配置与接口技术）

进程安排
起止时间
完成内容
2021.12.16-2021.12.23
据任务书搜集相关的资料
2021.1
设计并实现
2021.01.01-201
撰写课程设计说明书
85
准备答辩阶段
系
意见

系主任签字： 年 月 日

摘要
节日彩灯是生活中常常的装饰物品，是我国普遍流行的传统的民间的综合工艺品。彩灯艺术也是灯的综合性的装饰艺术。在当今社会里，彩灯已经成为我们生活当中的一部分，能给我们带来视觉上的享受，还能美化我们的生活。彩灯控制器主要是通过产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化，他集中的应用了单片机、LED、自动控制等技术，是典型的基于单片机的电子产品。本文以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，运用LED彩灯、按键等组成电路，实现才在开启时满足不一样的闪亮方法及方式。按K1—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。K2—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。K3—上，按此键则灯由上向下流动。K4—下，按此键则灯由下向上流动。按K5—从亮到暗到亮循环。通过按键能方便使用者选择不一样的亮法。并用仿真软件进行仿真按不同的方式点亮LED。还有就是这节日彩灯的制作成本低、精确度高、装调容易，为节日增添气氛，具一定的市场价值，因此制作了此节日彩灯。

关键词：节日彩灯；单片机；LED；设计；仿真

目录
摘要 3
一、概述 5
二、任务要求 5
三、硬件电路设计与分析 5
1.AT89C51单片机 5
1.1 AT89C51结构 5
1．2 AT89S51引脚描述 7
2.键盘设计 8
3.定时器与复位模块 8
3.1时钟电路 8
3.2复位电路 9
四、软件设计与论证 10
五、功能仿真实现 12
七、心得体会 14
八、参考文献 15
附录 15

一、概述
19世纪兴起的单片机以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。又有数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。
随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。 可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。那将是人类文明的又一飞跃，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。近年来，随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的要求也在逐渐提高，不光是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光灯已经不能满足于我们的需要，彩灯的运用已经遍布于人们的生活中，从歌舞厅到卡拉OK包房，从节日的祝贺到日常生活中的点缀。这些不紧说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展。
彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的发展，特别是随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺。
二、任务要求
(1)PD0: 开始,按此键则灯开始流动（由上而下）；
(2)PD1: 停止,按此键则停止流动,所有灯为暗；
(3)PD2: 上,按此键则灯由上向下流动；
(4)PD3: 下,按此键则灯由下向上流动。
三、硬件电路设计与分析
1.AT89C51单片机
1.1 AT89C51结构
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC—51兼容。片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。
AT89C51系列单片机对于一般用户来说，存在3个明显的特点：
(1)内含Flash存储器。因此在应用[2]系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期；同时，在系统工作过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外接电源损坏也不影响信息的保存。
(2)与80C51插座兼容。AT89C51系列单片机的引脚与80C51是一样的，当用AT89C51单片机取代80C51时，可以直接进行取代。这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89C51单片机取代80C51的单片机即可。
(3)静态时钟方式。AT89C51单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能。这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

图1 AT89S51单片机结构图
1．2 AT89S51引脚描述
VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。GND（20）：接地。
P0端口（P0.0-P0.7）：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
复位RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。
ALE/PROG(30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，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1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。
PSEN(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。
EA/VPP(31)：当__ EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 （0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，__ EA将内部 锁定为RESET；当__ EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1(19)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。
2.键盘设计
独立式键盘是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响到其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断那个键被按下了。 独立式按键电路配置灵活，软件简单，但每个按键需要占用一根输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。按键直接与单片机的I/O 口线相接，通过读 I/O 口，判定 I/O 口线的电平状态，即可识别出按下的按键。如图2

图2独立式按键仿真图

3.定时器与复位模块
3.1时钟电路
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。
(1)时钟电路 89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，如图2所示。

图3时钟与复位电路仿真图
图2中，电容器C2，C3起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
3.2复位电路
当AT89C51单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
常用的上电复位电路电容C1和电阻R19对电源+5V来说[20]构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图2所示。
开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位常用的上电或开关复位电路如图2所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RESET持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RESET为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
四、软件设计与论证
本方案主要是通过对基于单片机的多控制、多闪烁方式的LED彩灯系统的设计,来达到本设计的要求。其硬件以单片机为核心控制,由单片机最小系统、时钟电路、复位电路、发光二极管和独立按键组成。
此设计方案中单片机的P1口接4路按键控制电路,实现彩灯花型的切换功能,单片机上的P0口接8路LED发光二极管组成彩灯电路,显示彩灯循环情况。
1、总体流程图设计
开始
正向循环

开始键按下？
是
否

停止键按下？

正向键按下？
灯全灭
是
否
是
否

反向键按下？
反向循环
是

正向键按下？
否

停止键按下？
是
否
是
否

图4程序流程图
2.总原理图

图5：总原理图
功能说明：
※S1-开始，按此键，灯开始流动（从上到下）
※S2-停止，按此键，灯停止流动（灭灯）
※S3-上，按此键，灯从上而下流动
※S4-下，按此键，灯从下而上流动
2．元件清单
元件序号
元件说明
数量
备注
AT89C51
单片机芯片
1

R1—R9
限流电阻
9
220
LED
发光二极管
8

KEY
按键开关
4

表1：元器件清单
五、功能仿真实现
1、开始：从上到下流动点亮

2、反向：从下向上流动点亮

3、停止：灭灯

七、心得体会
本次课程设计既要求我们对知识掌握的牢固，又要求我们对知识能够灵活运用。从所涉及的知识面来说，它不仅要求我们运用所学过的知识还要求我们去查找，学习，借鉴其他科目或门类的知识。从时间上来说，这次设计的时间是最长的，因此我们有足够的时间去重新温习学过的知识，更有充足的时间去搜集学习一些我们没有涉猎过的知识。这样不仅锻炼了我们学习新知识的能力，同时也拓宽了我们的知识面。并且我们还有足够时间去修改我们的设计中的缺陷，这也是对我们将来走入社会独立完成一项课题的考验。
我们经过将近两周的努力，终于完成本次创新课程设计，过程虽是辛苦的，但从中我们却学到了很多东西。首先巩固了课上学习的理论知识，对于计算机C语言的系统化整体化有了更深的认识。整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，平时的基础知识很重要。另外就是合作的重要性，每个人都有他的特长一个人难免有疏漏，只有大家共同努力才能顺利的完成任务。
通过本次课程设计，提高了我们的自学能力，提高了理论联系实际的能力，把自己所学应用到实验中，对所用到的硬件有了更加深刻的理解；同时我们更加明白团结合作、分工合作的重要性，提高了团结合作的能力与做事效率。提高了我们克服困难的信心与决心。
八、参考文献
1．马潮编著.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第二版） 北京航空航天大学出版社 2021年8月。

return2．周兴华编著.手把手教你学单片机C程序设计 北京航空航天大学出版社 2021年6月。

【答案】NOT EOF()、 SKIP3、童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础 高等教育出版社。

5. 在Visual FoxPro的数据工作期窗口，使用SET RELATION命令可以建立两个表之间的关联，这种关联是________。附录

D.INSERT INTO 选课(学号，课程号，成绩) FORM VALUES(“02080111”,”103”,80)#include<reg51.h>

学号 姓名 　 出生年月 性别 总成绩 获奖次数　简历#include<intrins.h>

【答案】属性，记录#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

9. 在SQL查询时，使用WHERE子句指出的是________。void delay(uint);

C. 0 D. 基本工资最多的记录号void san();
void wu();
sbit K1=P1^2;
sbit K2=P1^3;

2. 在数据表结构设计时，字段宽度的总计数目比???????????之和大1，这是因为系统保留了1个字节的宽度记用于???????????。sbit K3=P1^4;

【答案】Dsbit K4=P1^5;
int a;
int c;

void main()
{
while(1)
{
if(K1==0)
{
san();
}
if(K2==0)
{
P0=0xff;
}
if(K3==0)
{
san();
}
if(K4==0)
{
wu();
}
}
}

void san()
{
uchar table[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
for(a=0;a<8;a++)
{
P0=table[a];
delay(300);
}
}

void delay(unsigned int xms)
{
unsigned int i,j;
for(i=xms;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}

void wu()
{
uchar table1[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
for(c=7;c>-1;c--)
{

P0=table1[c];
delay(300);
}
}

第3章 数据库与表的基本操作
22、既可应用于局域网又可应用于广域网的以太网技术是
A. .T. B. .F. C. 0 D. 非0
7. 在下列函数中，函数值为数值的是________。
【答案】A
C. 计算后8条记录的工资和 D. 计算全部记录的工资和

D、数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复
总成绩 N 3
【答案】SELECT * FROM RSGL INNER JOIN RSGZ ON RSGL. 编号=RSGZ. 编号

电子与电气工程学院
课程设计报告

课 程 名 称 自动控制原理
设 计 题 目
所学专业名称 自动化
班 级 自动化121
学 号
学 生 姓 名
指 导 教 师

2014年 12 月27日
电气学院 自动控制原理 课程设计
任 务 书

设计名称：
学生姓名： 指导教师：
起止时间：自 2021 年 12 月 21 日起 至 2021 年 12 月 27 日止

一、课程设计目的
1、通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。
2、理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。
3、理解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。
4、学习MATLAB在自动控制中的应用，会利用MATLAB提供的函数求出所需要得到的实验结果。
5、从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。
二、课程设计任务和基本要求
设计任务：
单位负反馈随动系统的开环传递函数为

1、画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定
2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。
3、设计系统的校正装置，使系统达到下列指标
（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差≤0.001
（2）超调量Mp<30%，调节时间Ts<0.05秒。
（3）相角稳定裕度在Pm >45°, 幅值定裕度Gm>20。
4、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
5、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的剪切频率Wcp和-p穿频率Wcg。
6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
7、在SIMULINK中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。
8、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。

基本要求：
（1）、能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。
（2）、能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。
（3）、能灵活应用MATLAB分析系统的性能。

电气学院 自动控制原理 课程设计
指导老师评价表

院（部）
电气学院
年级专业
自动化121
学生姓名

学生学号

题 目

一、 指导老师评语

指导老师签名：
年 月 日
二、 成绩评定

指导老师签名：
年 月 日

课程设计报告（格式）
目录
（目录应包括论文中全部章节的标题及页码，含摘要与关键词、正文章、节题目、参考文献、附录等。目录题头用四号黑体字居中排写，隔行书写目录内容。目录中各章节题序及标题用五号宋体。）

摘要与关键词 6
1 标题（正文第1章标题， 小三号黑体，上下间距为：段前0.5行，段后0.5行） 6
1.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体） 6
（正文3级标题，小四号黑体） 6
（正文3级标题，小四号黑体） 6
1.2 ××××××（正文2级标题，四号黑体） 6
2 标题×××××（正文第2章标题，要求同上） 7
2.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体） 7
（正文3级标题，小四号黑体） 7
2.2 ××××××（正文2级标题，四号黑体） 7
3 标题××××（正文第2章标题，要求同上） 7
3.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体） 7
（正文3级标题，小四号黑体） 7
4 总结（正文第2章标题，要求同上） 7
参考文献（四号黑体居左） 7
附录（另起一页，四号黑体） 7
（分页）

摘要与关键词
摘要：中文摘要与关键词单独成页置于目录后。摘要、关键词题头均用五号黑体字排写，内容文字用五号宋体字。关键词各词条间用分号“；”隔开，不少于3个个。
关键字：单片机；PLC；课程设计
（分页）
1 标题（标题1级，正文第1章标题， 小三号黑体，上下间距为：段前0.5行，段后0.5行）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
1.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体）
公式原则上居中书写。若公式前有文字（如“解”、“假定”等），文字顶格书写，公式仍居中写。公式末不加标点。公式序号按章编排，并在公式后靠页面右边线标注，如第1章第一个公式序号为“（1-1）”，附录2中的第一个公式为“（②-1）”等。文中引用公式时，一般用“见式（1-1）”或“由公式（1-1）”。
表格一般采取三线制，表序按章编排，如第1章第一个插表序号为“表1-1”等。表序与表名之间空一格，表名不允许使用标点符号。表序与表名置于表上，居中排写，采用楷体小五号字。
图由图号和图名组成。图号按章编排，如第1章第一图图号为“图1-1”等。图题置于图下，图注或其他说明时应置于图与图题之间。图名在图号之后空一格排写，图题用黑体小五号字。引用图应说明出处，在图题右上角加引用文献编号。图中若有分图时，分图号用a)、b)标识并置于分图之下。图中各部分说明应采用中文（引用的外文图除外）或数字项号，各项文字说明置于图题之上（有分图题者，置于分图题之上），采用楷体小五号字。
××××（正文3级标题，小四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
1.1.2 ××××（正文3级标题，小四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
1.2 ××××××（正文2级标题，四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
（分页）
2 标题×××××（正文第2章标题，要求同上）
2.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
××××（正文3级标题，小四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
2.2 ××××××（正文2级标题，四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
（分页）
3 标题××××（正文第2章标题，要求同上）
3.1 ××××××（正文2级标题，四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
3.1.1 ××××（正文3级标题，小四号黑体）
×××××××××（五号宋体，行距20磅，段间距5磅）××××××××
（分页）
4 总结（正文第2章标题，要求同上）

参考文献（小三黑体居左）
[1] ××××××××××××（五号宋体）
[2] ×××××××××××××××××××××××××××××
[3] ××××××××××××××××××××××
（分页）
附录（另起一页，四号黑体）
附录内容文字字体字号参照正文要求。附录序号采用“附录1”、“附录2”或“附录一”、“附录二”等，用四号黑体字左起顶格排写，其后不加标点符号，空一行书写附录内容。附录内容文字字体字号参照正文要求。

目 录
绪 论 1
1课程设计的目的及题目 2
1.1 课程设计的目的 2
1.2 课程设计的题目 2
2课程设计的任务及要求 3
2.1 课程设计的任务 3
2.2 课程设计的要求 3
3校正函数的设计 4
3.1 理论知识 4
3.2 校正系统设计 5
4传递函数特征根的计算 10
4.1 校正前系统传递函数的特征根 10
4.2 校正后系统传递函数的特征根 11
5系统动态性能的分析 12
5.1 校正前系统动态性能分析 12
5.2 校正后系统动态性能分析 16
5.3 结果分析 19
6系统的根轨迹分析 21
6.1 校正前系统的根轨迹分析 21
6.2 校正后系统根轨迹分析 23
7系统的幅相特性 26
7.1 校正前系统的幅相特性 26
7.2 校正后系统的幅相特性 27
8系统的对数幅频特性及对数相频特性 28
8.1 校正前系统的对数幅频特性及对数相频特性 28
8.2 校正后系统的对数幅频特性及对数相频特性 29
总 结 32
参考文献 32

0绪 论
在控制工程中用得最广的是电气校正装置，它不但可应用于电的控制系统，而且通过将非电量信号转换成电量信号，还可应用于非电的控制系统。控制系统的设计问题常常可以归结为设计适当类型和适当参数值的校正装置。校正装置可以补偿系统不可变动部分（由控制对象、执行机构和量测部件组成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系统能满足事先要求的性能指标。常用的性能指标形式可以是时间域的指标，如上升时间、超调量、过渡过程时间等（见过渡过程），也可以是频率域的指标，如相角裕量、增益裕量（见相对稳定性）、谐振峰值、带宽（见频率响应）等。
　常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。在工业控制系统如温度控制系统、流量控制系统中，串联校正装置采用有源网络的形式，并且制成通用性的调节器，称为PID（比例-积分-微分）调节器，它的校正作用与滞后-超前校正装置类同。

1课程设计的目的及题目
1.1 课程设计的目的
1）掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。
2）学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。
1.2 课程设计的题目
已知单位负反馈系统的开环传递函数，试用频率法设计串联超前——滞后校正装置，使（1）输入速度为时，稳态误差不大于。(2)相位裕度，截止频率为。（3）放大器的增益不变。

2课程设计的任务及要求
2.1 课程设计的任务
设计报告中，根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正（须写清楚校正过程），使其满足工作要求。然后利用MATLAB对未校正系统和校正后系统的性能进行比较分析，针对每一问题分析时应写出程序，输出结果图和结论。最后还应写出心得体会与参考文献等。
2.2 课程设计的要求
1）首先， 根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T，等的值。
2)利用MATLAB函数求出校正前与校正后系统的特征根，并判断其系统是否稳定，为什么?
3)利用MATLAB作出系统校正前与校正后的单位脉冲响应曲线，单位阶跃响应曲线，单位斜坡响应曲线，分析这三种曲线的关系。求出系统校正前与校正后的动态性能指标σ%、tr、tp、ts以及稳态误差的值，并分析其有何变化。
4)绘制系统校正前与校正后的根轨迹图，并求其分离点、汇合点及与虚轴交点的坐标和相应点的增益值，得出系统稳定时增益的变化范围。绘制系统校正前与校正后的Nyquist图，判断系统的稳定性，并说明理由。
5)绘制系统校正前与校正后的Bode图，计算系统的幅值裕量，相位裕量，幅值穿越频率和相位穿越频率。判断系统的稳定性，并说明理由。

3校正函数的设计
要求：首先，根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T，等的值。
3.1 理论知识
应用频率特性法设计串联滞后-超前校正装置的步骤如下：
（1）根据稳态误差要求，确定开环增益K。
（2）利用已确定的开环增益，画出未校正系统的对数频率特性，确定未校正系统的剪切频率，相角裕度和幅值裕度Kg以检验性能指标是否满足要求。若不满足要求，则执行下一步。
（3）确定滞后校正器传递函数的参数

式中要距较远为好。工程上常选择

（4）选择一个新的系统剪切频率，使在这一点超前校正所提供的相位超前量达到系统相位稳定裕量的要求。又要使得在这一点原系统加上滞后校正器综合幅频特性衰减为0dB，即L曲线在点穿越横坐标。
（5）确定超前校正器传递函数的参数

式中。由以下表达式：

为原系统加上滞后校正器后幅频分贝值。还有公式
求出参数、
（6）画出校正后的系统的Bode图，并验算已校正系统相角裕度和幅值裕度。

3.2 校正系统设计
已知单位负反馈系统的开环传递函数，试用频率法设计串联超前——滞后校正装置，使（1）输入速度为时，稳态误差不大于。(2)相位裕度，截止频率为。（3）放大器的增益不变。
（1） 输入速度为时，稳态误差不大于即输入信号为时，稳态误差不大于。则取稳态误差，可以求出开环传递函数中的值。
=
解得=75600；
所以，该系统的开环传递函数为：

（2） 确定未校正系统的截止频率，相角裕度和幅值裕度。
在MATLAB指令窗中输入指令如下：

执行后得到系统的Bode图如下：

图3-1 校正前系统Bode图
由图可知，系统截止频率=32.5，相角裕度=-11.4和幅值裕度=-5.11dB。相稳定裕度=-11.4<0，显然闭环系统是不稳定的。
（3） 确定滞后校正器传递函数的参数：

式中