微型计算机控制技术课程设计.doc

目录一、步进电机控制系统的设计1、设计目的2、实验仪器3、步进电机的基本工作原理4、步进电机控制的设计内容 系统硬件设计 系统软件设计5、结束语二、炉温控制系统的设计1、设计目的2、设计要求3、设计原理4、设计过程 系统硬件设计 系统软件设计5、结束语三、直流电机调速系统的设计1、设计目的2、设计要求3、设计过程 系统硬件设计 系统软件设计四、设计总结及心得体会一、步进电机的控制系统设计一、设计目的1了解步进电机的工作原理。2掌握步进电机的驱动及编程方法。二、实验仪器1EL-CAT-III型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台3步进电机控制实验对象一台三、步进电机的基本工作原理：步进电机的工作就是步进转动。在一般的步进电机工作中，其电源是采用单极性的直流电源。要使步进电机转动，就必须对步进电机的各相绕组以适当的时序进行通电。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（成为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。本实验步进电机的工作方式为两相四拍式，其电机的通电顺序如下图所示： 相顺序ABCD01100101102001131001四、步进电机控制实验内容：1、硬件设计（1）、实验框图驱动电路接口卡PC机步进电机2、软件仿真步进电机采用的是开环控制。在实验仿真开始时，先设置起点坐标和重点坐标，再将实际的转盘指针调到与软件上的指针起始值相同。然后开始运行，看软件仿真指针所转角度是否与实际相同。正转：起时角为0，终止角为100反转：起始角100，终止角50五、结束语：通过本次的实验了解了步进电机的工作原理和它的工作方式，以及如何用计算机来控制步进电机的转动。根据实验所得出的结果是：实际步进电机的指针旋转角度与在软件仿真中指针的旋转角度是相同的。所以通过计算机对步进电机的控制可以达到很高的精度。二、电阻炉温控制系统的设计一、设计目的(1)、了解温度控制系统的特点。(2)、研究采样周期T对系统特性的影响。(3)、研究大时间常数系统PID控制器的参数的整定方法。二、设计要求温度检测范围0-100，使炉温控制在60，能够手动和自动调节炉温，采用单片机控制，电路包括检测通道（温度检测、放大和A/D转换电路）、温度控制（包括包括光耦隔离、过零检测、SCR驱动电等外围电路）、键盘和显示电路以及语音报温电路。三、设计原理系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1）以个人计算机为基础，以转换器为核心，并配以适当的外围接口电路，实现对电阻炉温度自动控制和手动控制。设计了一种过零检测电路，将控制增量转换成占空比，并由数字电路输出有一定占空比的矩形波，利用硬件方法实现普通双向可控硅的同步过零触发从而实现功率可调的温度控制系统。整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成,主要完成数据采集、PID运算、产生控制电枢电压的控制电压；第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大组成。炉温控制的基本原理：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0-140V内变化。可控硅的导通角为0-5CH。温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。四、设计过程1、硬件设计(1)、炉温控制总体框图单片机A/D电阻丝NZUSSCR检测电路放大电源NYUA过零检测光耦隔离键盘显示语音报温（2）、炉温控制电路图2、软件设计（1）、PID递推算法如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是误差累积和。（2）、系统流程图初始化控制步数、采样点数point初始化ek,ek1,ek2,求q0,q1,q2初始化系统输出希望值Sstart画希望值曲线采集硬件被控对象的输出inputf浮点数inputf求ek=start-inputf判断积分分离项uk=kpek+kd(ek-ek1)ukpek+kiek2+kd(ek-ek1)判断uk是否超上下限输出ukek1=ek,ek2=ek2+ek画被控对象第J点输出inputfJ+1Jpoint结束（3）仿真过程炉温控制对象是一个纯滞后系统，故在设计中用Smiths预估器进行补偿，下面就是加了预估器的炉温控制系统波形仿真的图形，但需要凑试法来进行PID参数的整定。其目的就是得到超调量小于30%，调节时间较短的稳定系统。首先根据被控对象的模型（K/（1+TS）e-s，采用ZN法（扩充响应曲线法）整定被控对象的参数：T、K、。从曲线上选取T=480，K=1，=110。然后查表：TiTdPT/K0PI0.9T/ K/0.30PID1.2T/K2.20.5采用PID控制，则由表中的公式确定出=5.234，Ti=242， Td=55根据KP=1/=0.19，KI=KPT/Ti=0.378，KD=KPTd/T=0.022，然后在次基础上进行PID参数整定。炉温控制的仿真框图：炉温控制仿真波形：A、KP=40, KI= 0.5, KD=0.026,=110 （KP较大）B、KP=0.0005， KI=0.0022， KD=6，微分先行算法A、KP=40, KI= 0.5, KD=0.026,=110B、KP=0.0005， KI=0.0022， KD=6五、结束语本次的实验的炉温控制系统以工业控制计算机为核心，可控硅为驱动电路构成的系统。其控制效果比其他不采用计算机的控制系统要好很多。通过对炉温控制系统的实验可以知道，该控制系统控制精度高，能够准确的去完成一些复杂的工业控制过程。在这个的实验当中，用到了一些常用的控制技术，对其中的PID控制，施米斯预估控制等有了很深的了解；为了使系统的控制效果更好，必须对PID参数进行整定来提高系统的测量精度以及稳定性，并运用了微分先行对系统进行了改进。这是此设计的重点所在。三、直流电机调速系统的设计一、设计目的(1)、了解直流电机调速系统的特点。(2)、研究采样周期T对系统特性的影响。(3)、研究电机调速系统PID控制器的参数的整定方法。二、设计要求 要求采用PI控制算法对直流电机调速系统进行控制，给定初始速度，通过数字式PID调节器进行控制，使得速度恒定在某一数值。 整个电机调速系统由两大部分组成,第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成,主要完成数据采集、PID运算、产生控制电枢电压的控制电压；第二部分由传感器信号整形，控制电压功率放大等组成。电机速度控制的基本原理是：通过D/A输出-2.5V-+2.5V的电压控制7812的输出，以达到控制直流电机电枢电压的目的。速度采集由一对霍尔器件完成，输出脉冲信号的间隔反映了电机的转速。三、设计过程1、系统硬件设计系统框图：PI控制器晶闸管触发电路隔离放大测速反馈环节转速比较环节电力电子变换器直流电机模型建立：由上图可得：Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1-s）/s Gp（s）=1/（Ts+1） 系统的总体控制电路图：2、系统软件设计PID递推算法 ： 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是误差累积和系统程序流程图图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量采集硬件被控对象的输出inputfinputf浮点化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判断uk是否超上下限，ukuk电机死区70H输出ukJ+1Jpoint结束画被控对象第J点输出inputf画希望值曲线初始化系统输出希望值start初始化ek ,ek1,ek2,uk求q0,q1,q2初始化控制步数、采样点数Point使电机处于最低初始转速 软件仿真Kp=0.049 ki=0.1 Kp增大 kp=0.7 Kp减小 kp=0.01四、设计总结及心得体会 在这次的的课程设计里，使我对微型计算机控制技术这门课了解的更深。设计的内容有：步进电机的控制，电阻温度炉的温度控制，直流电机调速系统的设计。在这些设计中，都用到了一些常用的控制技术，如PID控制，施密斯预估控制等。PID控制是对控制系统的参数KP,KI,KD进行设定，看不同参数对系统响应曲线的影响，选择其中效果好的响应曲线，并记录其相应的参数。在对这些参数选择时，应先了解这些参数对系统的影响：比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，KP的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要有系统存在误差，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调增大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减少超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的性能。同时还必须运用一些PID整定方法来对系统优化，是系统的控制能达到稳、