十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计.doc

淮 海 工 学 院课程设计报告书 题 目： 综合课程设计 系（院）： 电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 2011年1月 绪 论课程设计是本课程教学中极为重要的实践性教学环节，它不但起着提高本课程教学质量、水平和检验学生对课程内容掌握程度的作用，而且还将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在直流调速及相关课程方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。通过课程设计，让学生独立完成一项直流调速系统课题的基本设计工作，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料能力的目的。通过课程设计，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达到培养学生工程绘图和编写设计说明书能力的目的，为学生今后从事相关方面的实际工作打下良好基础。本次课程设计分为两大部分，分别是调速技术部分和计算机控制部分。调速部分的设计内容及要求是：适用于4KW以下直流电动机不可逆无级调速。要求调速范围D=10，静差率S10%。（参考电机参数，如直流电动机：额定功率PN1.1KW，额定电压UN110V，额定电流IN13A，转速nN1500r/min电枢电阻Ra1欧，极数2P=2，励磁电压Uf110V，电流If0.8A）计算机控制部分的设计内容要求是：电阻加热炉温，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。主要包括：计算机炉温系统整体设计和组成、最佳控制PID系统参数测定、温控系统控制算法设计和比较、绘图：绘出设计调试的结果、数据处理和分析。第一章 调速技术部分1.1 设计要求(1)电枢回路总电阻取R=2Ra; 总分轮力矩GD2=2.5GD2=2.5*31.36 NM2，极对数P=1。（2）其它未尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。（3）要求：调速范围D=10,静差率S=5%,稳态无静差，电流超调量I%=5%,电流脉动系数SI=10%;启动到额定转速时的转速退饱和超调量N=6Iem(uf)=6*0.1*62.99/1202=2.625uf式中S-变压器容量（KVA）； U2-变压器二次相电压有效值（V）；Iem-变压器励磁电流百分数，对于10100KVA的变压器，一般为10%4%；电阻值 RC=5U21/I21=5*120/170.544=3.518B.非线性电阻保护方式非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma=1.3U=1.3*120=220.6V式中 U-压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。C.直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成di/dt加大，一般只用压敏电阻作过压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V(2)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护 为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根据查经验数据表得到。表1.1 阻容保护的原件参数晶闸管额定电流102050100200500100电容（uf）0.10.150.20.250.511电阻（）1008040201052(3)过电流保护 快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有效。 图1.3 快速熔断器的安装方法(4) 电压和电流上升率的限制 不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电压及电流变化率的方法有 A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器LB的计算公式为 LB=8.96H式中 交流器输出额定电流IdN，电源频率f,变压器二次相电压U2B在桥臂上串联空心电感，电感值取2030H为宜。C在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电感在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的，还可以缩短晶闸管的关断时间。1.3.4 平波电抗器的计算晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。（1） 电动机电枢电感*1000=8*220*1000/(2*2*1450*209)=2.9mH对于快速无补偿电动机取8，磁极对数p=2。（2） 变压器电感为*1000=3.9*0.05*120/209=0.12mH式中=0.05。（3） 平波电抗器的选择。维持电流连续时的为=0.639*120/(0.05*209)-(2*0.12+2.9)=7.33-3.14=4.19(mH)式中，。限制电流的脉动系数=5%时，值为=1.045*120/(0.05*291)-3.14=8.62-3.14=5.48（mH）取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为5.48mH时，电流连续和脉动要求能同时满足。1.4 触发电路的选择与校验触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择KC系列集成触发电路。此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。其缺点是移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。 选用集成电路MC787组成的三相触发电路，如图2-5所示。该集成块由同步过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形成电路、脉冲分配及驱动电路组成。 图1.4 MC787组成的三相触发电路原理接线图图1.4的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。1.5 控制电路的计算1.5.1 给定电源和给定环节的设计根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成稳压管的可调输出电路。由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压VC又为正电压，故给定电压UG就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与触发器共用一个15V的电源，用一个2.2K,1W电位器引出给定电压。1.5.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计（1）测速发电机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有:额定电压ETG=40V,nTG=2000r/min 负载电阻RTG=2K的电位器。由于主电动机的额定转速为1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为29V，给定电源15V,只要适当取反馈系数，即可满足系统要求。（2）转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速反馈系数=Un*/nN=15/1450=0.01Vmin/r（3）电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系数 =0.05V/A(4)调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： Ce=0.115按要求调速系统的静态速降：nN=7.63r/min1.6 双闭环直流调速系统的动态设计(1)电流调节器的设计1）确定时间常数 在三相桥式全控电路有：已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。2）选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器 。 电流调机器的比例系数 电流调节器的超前时间系数 3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，电枢回路总电阻R=2=0.6，所以ACR的比例系数 =4）校验近似条件电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=4.3240=511.68，取172.8,取180，取0.,2，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图1.5 电流调节器 (2) 转速调节器的设计 1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。4）检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3000。，取0.1，取1。故。其结构图如下： 图1.6 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% 10%满足设计要求.1.7 系统的计算机仿真1.7.1开环调速系统的建模与仿真从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。下图是采用面向电气原理结构图方法作的开环直流调速系统的仿真模型。A.系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1 主电路的建模和参数的设置 开环直流调速系统的主电路由三相对称交流的电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机部分等组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，A相交流电压源参数设置如下，幅值取220V、初相位设置为0、频率为50Hz、其他为默认值；B、C相交流电源参数设置方法同A相相同。初相位设置为互差120外，其他参数同A.由此可得到三相对称交流电源，本模型的相序是A-C-B.（2）晶闸管整流桥的建模和参数设置采用三相整流桥，桥臂取3，；一般情况下，晶闸管的参数取默认值，仿真理想就为默认值，不理想再优化参数。(3)平波电抗器的建模和参数设置平波电抗器的类型直接选择为电感就可以了，其电感值可通过仿真进行优化。(4)直流电动机的建模和参数设置双击直流电动机的图标，打开电动机的参数设置对话框，对其参数有转速n、电枢电流、激磁电流、电磁转矩均按计算的实际值设置。(5)脉冲触发器的建模和参数设置通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。同步脉冲触发器如下图所示。2.控制电路的建模与仿真开环直流调速系统只有一个给定环节，双击给定环节模块，打开参数设置对话框，设置参数。（二）开环调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。图1.7 开环调速系统仿真模型1.7.2 单闭环有静差调速系统的建模与仿真从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。下图是采用面向电气原理结构图方法作的单闭环有静差调速系统的仿真模型。（一）系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1.主电路的建模和参数的设置主电路与开环调速系统相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。2.控制电路的建模与仿真单闭环有静差调速系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。另增加了限幅器、偏置、反向器等模块。给定信号模块的建模和参数的设置方法与开环调速系统相同。速度调节器、限幅器、偏置、反向器等模块的建模和参数的设置方法很简单，找到相应的模块，进行相应参数的设置即可。（二）单闭环有静差调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。图1.8单闭环有静差调速系统的仿真模型1.7.3 转速、电流双闭环无静差调速系统的建模与仿真多环直流调速系统与开环、单闭环直流调速系统的主电路模型一样，主电路由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。差别在控制电路上。（一）系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。1.主电路的建模和参数的设置转速、电流双闭环无静差调速系统主电路的建模和参数的设置与单闭环有静差调速系统大部分相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。2.控制电路的建模与仿真转速、电流双闭环无静差调速系统的控制电路由给定环节、速度调节器、电流调节器、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环节部分等组成。给定信号模块的建模和参数的设置方法与单闭环调速系统相同。（二）双闭环转速、电流调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。图1.9 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型第二章 计算机控制技术部分2.1 对温控系统进行建模及MATLAB仿真2.1.1 单片机在炉温控制系统中的运用温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。 本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。2.1.2 系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成。一部分由计算机和A/D和D/A转换电路组成。主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：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0140V内变化。可控硅的导通角为05bH。温度传感器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关断的占空比时间，如果炉温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。温度控制电路原理图如图2.1所示。图2.1 温度控制电路原理图2.1.3 温控系统控制算法设计1. 温度控制算法的比较 （1）.经典控制算法经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控制策略，主要包括PID控制、Smith预估控制、大林算法这几种方法。PID控制器由于具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高等特点，因而在实际控制系统设计中得到了广泛的应用。PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定，以求得到最佳控制效果。然而PID在时滞过程中的应用受到一定的限制,由于PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下,才能获得理想效果。当一个调好参数PID控制器被应用到模型参数时变系统时,系统的性能会变差,甚至不稳定。Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统控制方法，该方法是一个时滞预估补偿算法。它通过估计对象的动态特性,用一个预估模型进行补偿,从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器,使得整个系统的控制就如没有时滞环节,减小超调量,提高系统的稳定性并且加速调节过程,提高系统的快速性。理论上Smith预估器可以完全消除时滞的影响,但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型,当估计模型和实际对象有误差时,控制品质就会严重恶化,因而影响了Smith预估器在实际应用中的控制性能。大林算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞后特性而提出的一种控制算法。该算法的目标是设计一个合适的数字调节器D(z)，使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。大林算法方法比较简单，只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D(z)，就能够有效地克服纯滞后的不利影响，因而在工业生产中得到了广泛应用。但它的缺点是设计中存在振铃现象，且与Smith算法一样，需要一个准确的过程数字模型，当模型误差较大时，控制质量将大大恶化，甚至系统会变得不稳定。（2）.智能控制算法智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制，它包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法等。模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，从广义上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的一种控制方式，模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。模糊控制是一种基于专家规则的控制方法。在时滞过程中,模糊控制一般是针对误差和误差变化率而进行的,将输入量的精确值模糊化,根据输入变量和模糊规则,按照模糊推理合成规则计算控制量,再将它清晰化,得到精确输出控制过程，其中模糊规则是最重要的。但是,模糊控制存在控制精度不高、算法复杂等缺点。神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构机理以及人的知识和经验对系统的控制。人们普遍认为，神经网络控制系统的智能性、鲁棒性均较好，能处理高维、非线性、强耦合和不确定性的复杂工业生产工程的控制问题，其显著特点是具有学习能力。神经网络的主要优势在于能够充分逼近任意复杂的非线性系统，且有很强的鲁棒性和容错性。一般来说，神经网络用于控制有两种方法，一种是用来实现建模，一种是直接作为控制器使用。与模糊控制一样，神经网络也存在算法复杂的缺点，同时神经网络学习和训练比较费时，对训练集的要求也很高。经典控制方法由于具有结构简单、可靠性及实用性强等特点，在实际生产过程中得到了广泛的应用。但它们都是基于参数模型的控制方法，因而自适应性和鲁棒性差、对模型精确性要求高、抗干扰能力差。而智能控制是非参数模型的控制方法，因而在鲁棒性、抗干扰能力方面有很大的优势。但智能控制也有其不足之处，即理论性太强，算法过于复杂，大多数方法还仅局限于理论和仿真研究，能在试验装置上和工业生产中应用的并不多。根据这两类控制方法的特点，将它们结合起来进行复合控制是一种有效的时滞系统控制策略，成功的应用有模糊PID控制、模糊Smith控制、神经元Smith预估控制、Smith-NN预估控制等。这些方法既能利用经典控制方法结构简单、可靠性和实用性强的特点，又能发挥智能控制自适应性和鲁棒性好，抗干扰能力强的优势，弥补了各自的不足，在大时滞控制系统中具有很好的应用前景。2. 控制算法的选择PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图2.2所示：图2.2 系统结构框图该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。3. 数字PID算法（1）模拟数字算法规律： （3-1）对式（3-1）取拉普拉斯变换，并整理后得到模拟PID调节器的传递函数为: (3-2)式中：称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中为给定值，为被测变量值；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数；为调节器的输出控制电压信号。由式（3-1）、式（3-2）可以看出，在PID调节中，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，的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。（2）数字PID算法因为计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。因此在计算机控制系统中，必须对式（3-1）进行离散化处理。设采样周期为T，第次采样得到的输入偏差为，调节器的输出为，作如下近似： （用差分代替微分） （用求和代替积分）这样，式（3-1）便可改写为位置式PID控制算法： （2-3）其中， 为调节器第次输出值；、分别为第次和第次采样时刻的偏差值。由式可知： 是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，而且输出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算法的递推形式为： （2-4）与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：（1）位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏差的累加值 ，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。（2）为实现手动自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度 ，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算式中不出现 项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。2.1.4 最佳控制PID系统参数测定1.系统结构图如图2.3所示，图中图2.3 系统结构图2、PID参数整定方法（1） Ziegler-Nichols整定方法Ziegler-Nichols整定方法是根据给定对象的瞬间响应特性来确定PID控制器的参数。Ziegler-Nichols法首先通过实验，获得控制对象单位阶跃响应，如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可以用该方法，否则不能用。（2） 临界比例度法整定临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡周期。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3阶以上。（3）衰减曲线法整定衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。先把控制系统中调节器置于纯比例作用下（），使系统投入运行，再把比例度从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到4:1衰减过程曲线。3.试凑法确定PID参数：在试凑时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。参数的影响趋势：增大比例系数一般将加快系统的相应速度，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小静差，使系统更加稳定，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。增大微分时间可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时有利于加快系统动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能，但是系统对抗扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。具体步骤如下：（1）首先只整定比例部分，即将比例系数由小变大，并观察响应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。（3）若使用比例积分调节器消除了静差，但是动态过程反复调整仍不能满足要求，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。2.1.5 设计软件部分（1）根据确定的算法流程图，分别编写主程序和各模块程序。编程时尽量利用已有的子程序，以减少工作量。 对于程序的编写，需要说明以下几点： 编程语言一般都采用汇编语言，汇编语言具有执行速度快、占用内存少的特点，适合用于实时控制系统。 在程序设计过程中，完成预定的功能是最基本、最重要的任务，但同时还必须贯彻可靠性设计的原则，例如采取必要的抗干扰措施数字滤波、软件陷阱等。 控制算法是微机控制系统程序设计中的重要内容，要根据被控制对象的特性，合理选择控制算法，以达到所要求的控制精度。 对于存储器空间的使用应统一安排。 对于各个程序模块，要首先画出程序算法流程图，说明其功能，以便于编写子程序时明确各程序模块的入口、出口参数和对CPU内部寄存器的占用情况。 对于程序中的指令应有必要的注释，以便于阅读与使用。 主程序和各模块程序的设计完成后，连接成为一个完整的程序。最后对于整个程序作详细的说明，内容包括占用内部资源情况、存储器分配情况、标志的定义以及程序启动方法等。（2）主程序和中断服务子程序的流程图和程序编制图2.4 主程序和中断服务子程序的流程图主程序如下：TEMP1 EQU 50H ；当前检测温度（高位）TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；当前检测温度（低位）ST1 EQU 52H ；预置温度（高位）ST2 EQU 53H ；预置温度（低位）T100 EQU 54H ；温度BCD码显示缓冲区（百位）T10 EQU T100+1 ；温度BCD码显示缓冲区（十位）T EQU T100+2 ；温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1 EQU 57H ；温度二进制码显示缓冲区（高位）BT2 EQU BT1+1 ；温度二进制码显示缓冲区（低位）ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道IN0的端口地址F0 BIT PSW.5 ；报警允许标志TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H ；50H58H单元初始化(清零) ORG 0000H AJMP MAIN ；转主程序 ORG 00BH AJMP PT0 ；转T0中断服务子程序 ORG 0030HMAIN： MOV SP，#59H ；设堆栈标志 CLR F0 ；报警标志清零 MOV TMOD，#01H ；定时器0初始化（方式1） MOV TL0，#0B0H ；定时器100ms定时常数 MOV TH0，#3CH MOV R7，#150 ；置15s软计数器初值 SETB ET0 ；允许定时器0中断 SETB EA ；开中断 SETB TRO ；启动定时器0MAIN1：ACALL KIN ；调键盘管理子程序 ACALL DISP ；调用显示子程序 SJMP MAIN1定时器0中断服务子程序PT0：PT0： MOV TL0，#0BOH MOV TH0，#3CH ；重置定时器0初值 DJNZ R7，BACK ；15s到否，不到返回 MOV R7，#150 ；重置软计数器初值 ACALL TIN ；温度检测 MOV BT1，TEMP1 ；当前温度送到显示缓冲区 MOV BT0，TEMP0 ACALL DISP ；显示当前温度 ACALL CONT ；温度控制 ACALL ALARM ；温度越限报警BACK：RETI（3） 温度软件控制流程图如图3-3所示。图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累计和，uk是控制量，可控硅控制角05bH，0导通角最大，5bH导通角为零。控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。图2.5 温度软件控制流程图(4)Matlab仿真采用simulink仿真，通过simulink模块实现PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为： 建立的仿真图2.6 模型 得到P、PI、PID控制的仿真曲线如下：图2.7 P控制T=30,K=1,L=10,此时Kp=3 图2.8 PI控制T=30,K=1,L=10,此时Kpi=2.7积分时间Ti=33.3,图2.9 PID控制 T=30,K=1,L=10,此时Kpid=3.6,积分时间为33.3，微分时间为32.2 设计一个以MCS-51系列单片机为核心的计算机控制系统2.2.1 课题要求利用下列元器件设计一个以MCS51系列单片机为核心的计算机系统1. 扩展一片2764； 2.一片8255、一片8155；3.一片DAC0832和一片ADC0809； 4.外接一个键盘和数码显示器。2.2.2 线路图图3.1 计算机控制系统接线图2.2.3各芯片的功能介绍DAC0832是8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电源供电，从515V均可正常工作，基准电压的范围为-10+10v,电流建立时间为1us，CMOS工艺，低功耗20MW。ADC0809是8位A/D通道转换器，其分辨率是8位。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。8155芯片内包含有256个字节RAM，2个8位、一个6位的可编程并行I/O口和1个14定时器/计数器。8155可以直接与MCS51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8155既有RAM又具有I/O借口，因而是MCS51单片机系列中最常用的外围借口芯片之一。2764芯片是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。键