计算机控制系统课程设计2010.ppt

计算机控制系统课程设计指导书,北京邮电大学自动化学院张秦艳，林雪燕,0.绪论1.计算机控制系统2.温控实验系统构成及建模3.计算机温控系统的数学模型及大林算法4.pid数字控制器及其参数整定5.温控系统测试电路6.数据处理,绪论,1课程设计目的2课程设计任务3验收内容4时间安排及分组,课程设计目的,通过设计制作一套电烤箱计算机温度控制系统，全面理解和运用控制理论的基础知识，培养综合处理和解决实际问题的能力。先修课程：高级程序语言设计；微机原理；机械控制工程基础；现代控制论；计算机控制系统设计及现代检测技术等。,课程设计任务（1）,0.2.1电烤箱计算机双路温度控制系统1）硬件设计包括温度检测通道和控制通道的元件选型（要有适当的参数计算）；2）元件测试包括传感器及变送器测试，固态继电器测试，a/d板模拟输入通道和8255各端口测试以及电烤箱参数测试，求得电烤箱的性能参数；3）硬件制作包括整个实验系统的连接；4）软件编程包括各个测试程序模块，控制算法模块，电烤箱上通道、下通道、双通道输入输出模块，测试结果显示、存盘、打印模块；,课程设计任务（2）,5）整个系统联调，要求微型计算机温度控制系统应完成：a）两个温区温度的闭环直接数字控制,每个温区的温度在100250范围内连续可控，各温区的温度可自动设定，也可以人工设定。b）两个温区温度的巡回检测、显示、数据存储和打印。c）此外，还要实现系统升温、保温状态指示，超温报警等功能。测出单路原电烤箱温控系统、单路计算机温度控制动静态时域指标（至少有2种算法）和双路温度控制动静态时域指标。,验收内容,0.3.1课程设计报告（打印）：封面：课程名称，设备号（烤箱、a/d板、微机），软件开发环境，姓名，指导教师，报告日期；计算机控制系统硬件系统接线图；电烤箱性能测试曲线（对温控系统）及参数计算；采用的控制算法及编程；控制系统调试结果（包括波形，时域性能指标及控制参数）；课程设计过程中出现的问题及解决办法，对本次课程设计的意见和建议。,1.3.2电子版：课程设计报告完整的软件原程序和运行程序实验测试数据（*.dat）及曲线（*.jpeg）。1.3.3平时成绩：系统设计，软件编程，实验和出勤率。1.3.4答辩：理论学习的内容和课程设计过程中出现的问题及解决办法。,3.5评分标准：考勤劳动20分软件30分答辩10分控制效果10分报告30分提前一天加5分，晚一天减10分,分组及时间安排,每人必须做一条飞升曲线和一条控制曲线；必须有做pid算法，有做大林算法；必须有做单通道（目标温度100），有做双通道（目标温度150）,每套设备中：,1计算机控制系统,1.1计算机控制系统概念及应用1.2计算机控制系统特点1.3计算机控制系统的组成和分类,1.1计算机控制系统概念及应用,1.2计算机控制系统特点,模拟数字混合系统采用的分析方法是z变换和差分方程系统的通用性和灵活性大大增强计算机运算速度非常快，可分时控制便于实现控制与管理一体化。,1.3计算机控制系统的组成和分类,分类,操作指导系统直接数字控制系统(ddc)监督控制系统(scc)分级控制系统（hdc）集散型控制系统(dcs)计算机控制网络,控制规律,程序和顺序控制比例积分微分控制（pid）有限拍控制复杂规律的控制智能控制,2温控实验系统构成及建模,2.1家用电烤箱工作原理2.2计算机温控系统原理,2.1家用电烤箱工作原理,电烤箱一般具有自动恒温、自动定时及选择上、下火的转换开关，通电后，加热器表面温度可达500600，其热量主要以红外辐射形式为主，被箱内食物吸收而产生烘烤作用。其辐射传热约占6070，对流传热约占3040。本系统采用的是长帝牌ck-10b调温定时电烤箱,功率消耗500w+500w,有效容积为12l。电烤箱电气控制装置主要包括调温器、定时器和开关三大部分,插头,定时器,补偿丝,功率选择开关,限流电阻,温控器,指示灯,图2.1.1ck10a电烤箱线路图,电机,上、加热管,e,n,图2.1.2tb330电烤箱线路图,l,端子台,微动开关,定时器,电阻,旋转开关,下发热管,上发热管,温控器,指示灯,调温器大多为双金属片调温器，调温器的温度范围一般在100250之间，分成若干档。控制温差大约在30度上下。,a)上通道加热,b)下通道加热，控制温度100度,c)双通道加热，控制温度150度,图2.1.2纯机械温控器控制特性曲线,2.2计算机温控系统原理,图2.2.1双通道计算机温控系统原理图,固态继电器是一种无触点电子开关，开关速度很快，能达到级。,设第k个采样周期中，输出为1（高电平）的时间，采样周期为t，则方波的占空比为:u（k）=/t,电炉的平均功率为：,图2.2.3固态继电器工作原理,3计算机温控系统的数学模型及大林算法,3.1计算机温控系统的数学模型3.2大林算法,3.1计算机温控系统的数学模型,设电烤箱中加热的功率为p(t),散热功率为q(y(t),空气的质量为m，比热为c,空气的温度为y(t)，根据传热学定律可知：线性化后其传递函数为,离散后可近似为,图3.1.1系统一个温区的简化动态结构图,y(t),r(t),3.2大林算法,令整个系统的闭环传递函数为,则系统的闭环脉冲传递函数为,数字控制器的脉冲传递函数为,，,计算控制量,图3.2.1温控算法流程图,4pid数字控制器及其参数整定,4.1温箱参数的求取4.2pid控制器参数对系统性能的影响4.3用扩充响应曲线法选择pid参数4.4补充算法,4.1温箱参数的求取已知被控对象温箱为带延迟的一阶惯性系统，其传函为其阶跃响应为对t(t)求导得当t=时，此时，y(t)的变化率最大。,设,当t4),设：a/d读入数据为：data（data=0-4095），对应电压为：0-5v输入：v=data*5000.0/4095.0(mv)0-10v输入:v=data*10000.0/4095.0(mv)-5v-+5v输入:v=(data-2048)*5000.0/2048.0(mv)-10v-+10v输入:v=(data-2048)*10000.0/2048.0(mv),注意软硬件设置软件设置：ain0,ain1为5v；a/d转换结束，用查询方式，软件启动。温控实验需要用到的是2路模拟输入及2路数字量输出，因此需对a/d转换通道和8255数字输出接口进行测试。图5.3.1测试用到的板通道,5.3.7测试端口及流程图,图5.3.3io口do0、do1输出两列1hz方波程序流程图,5.4电烤箱参数测试,图5.4.3a/d板与两路固态继电器的控制端口接线图,2）数字输出通道通过do0、do1输出两路数字量信号，与两路固态继电器相连。,121920,5.5温控系统调试要求及注意事项,在改造电烤箱时，尽量不破坏原有的结构和接线。实在需要变更的接线端，悬空的接线端应用绝缘胶布缠上，固定在某处；在固定传感器时，应保证不能与温箱壳接触。否则，可能导致传感器不能用；在布线时，应尽量使强电与弱电离得越远越好；做实验时，因有220v交流电，应加倍小心；温箱加热时，加热管和温箱外壳很热，小心被烫；采样周期t通常小一些较好，有经验公式采样角频率s10c，c为系统的开环截止频率；编程时应分模块调试，尤其是测试模块应及早编好，以免影响实验进度；,电烤箱参数测试时的实验环境应与系统联调时保持一致，否则会影响控制精度；测试电烤箱的温度不应超过250（除烤箱号为980510-14，温度范围是0400度，烤箱号为980510-2，温度范围是0700度，），否则会损坏传感器；测温升曲线时，升温、降温曲线都得测，并且测试环境要相同，尤其降温时不能开玻璃门，否则降温参数将测不准确；存储数据内容应包括时间t，上加热管控制量u1，上传感器温度t1，上加热管控制量u2，下传感器温度t2，平均温度t；飞升曲线要测完整，上下2条，尤其要注意开环增益k的求取，测试过程中不要开烤箱盖。变送器输出的电压值与a/d板采样值有偏差，可调两处：1）变送器上的零与满度旋钮；2）a/d板上零与满度。uz为满度调节，r23=23.4k;bz为零度调节，一般不调；ag为增益调节。,6数据处理,6.系统参数的无量纲化6.2温度采样值的处理,6.系统参数的无量纲化,6.2.1曲线拟和：测得的电烤箱的飞升曲线需求取其参数，一种是在线求取，另一种是离线求取。下面介绍在线求取方法。以c语言为例:/=floatscalek;/采样周期，单位为s，,这里采样周期为1秒，是全局变量floatkmax1,kmax2;/上下通道的全功率加热曲线的最大变化率,是全局变量floattao1,tao2;/上下通道的延迟时间，是全局变量floatk,tm;/k,tm分别为开环增益和烤箱时间常数，是全局变量voidgetpara()/1最大变化率和延迟时间求取floatk1,kmax1,k2,kmax2;floatstarty1,starty2;/上下通道的起始温度intiset1,iset2;/发生最大变化率处的采样次数kmax1=0;iset1=1;kmax2=0;iset2=1;intn,ik1,ik2;n=0;ik1=ik2=0;registerinti;,6.2温度采样值的处理,for(i=1;i=11)/begintocaculatethek;/将采样间隔次数相差10次的温度采样值求曲线的实时斜率k1=(y1i-y1i-10)/10/scalek;k2=(y2i-y2i-10)/10/scalek;if(k1kmax1)kmax1=k1;iset1=i;tao1=iset1*scalek-(y1iset1-starty1)/kmax1;if(k2kmax2)kmax2=k2;iset2=i;tao2=iset2*scalek-(y2iset2-starty2)/kmax2;delay(scalek);/延迟一个采样周期,/2)终值判别及开环增益和烤箱时间常数求取，终值判别算法在求控制曲线性能参数ts时也要用到。if(kmax10.1)/theendofgetk_tm()/=/3）画拟合曲线，求拟合方差，终值及拟合误差（略）,6.2.2温