《计算机控制技术课程设计》指导书.docVIP

计算机控制技术课程设计指导书一、 设计目的和要求计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微型机控制理论、程序设计方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。课程设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计等，以便使学生掌握计算机控制系统设计的总体思路和方法。二、 设计内容及步骤1 确定控制任务 （设计目标参数，技术指标）有如下题目供参考（可选其他）：a.水温控制（过程控制类）b.电机速度控制c.电机角度控制2 系统总体方案设计a. 基本系统选择b. 接口电路的确定（A/D、D/A）c. 系统软件的配置3 硬件系统设计a单片机基本系统bA/D接口电路cD/A接口电路d开关量输入输出电路4 软件系统设计a. 系统初始参数设定模块b. 检测模块c. 控制模块d. 报警模块e. 键盘、显示接口模块5 控制系统仿真依据所搭建的系统，采用matlab/simulink进行仿真，给出仿真曲线和结果分析。6 撰写设计报告a. 设计题目b. 任务要求c. 系统总体方案d. 各个硬件模块设计和原理图e. 各个软件模块设计和流程图f. 心得体会和参考资料三、 课程设计进度安排（供参考）：要求学生集中时间、争取在3周的时间内完成，进度按排如下。序号项 目时 间1查阅资料，理解系统1天（6.25）2系统总体设计2天（6.26-27）3硬件系统设计4天（6.28-7.3）4软件系统设计4天（7.4-7.8）5系统仿真与分析2天（7.9-7.10）6撰写实训报告2天（7.6-7）7答辩，验收3天（7.11-13）四、报告基本内容（1）总体方案设计：构建系统的结构框图，确定系统各组成模块的功能和相互关系。（2）详细设计：硬件部分：选择硬件型号，设计具体电路等。给出系统各个组成部分的接口电路，并进行硬件集成调试。软件部分：依据采用的控制算法（必须选择至少两种算法，并进行比对，说明最后使用算法的合理性）及计算机控制系统的构成特点，绘制程序流程图，并编写相应的程序代码。程序的各个关键环节应给出文字注释。（3）调试：首先在Matlab 软件中对系统进行仿真分析（simulink 仿真环境和纯M文件编程均需要）编译软件；在实验室进行系统的软硬件联调，获得满意的控制效果。 （4）独立撰写课程设计报告，不少于3000字。（5）对用到的基本理论知识要有清晰的介绍。对设计结果，应给出详细的比较和分析，应深入分析结果产生的原因，相应控制方法的适用场合等。具体：1画出控制的结构框图。2用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。3根据实验数据和曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。4比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。5分析不同控制规律对本实验系统的作用。6.改变比例度和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？（6）在报告最后标注参考文献。五、评分标准1、只完方案设计，算法选择，仿真验证，并给出详细的数据说明、结果说明等，但此种情况最高只能得到良。2、能够进行完整软硬件方案设计，算法选择，并结合算法分析及仿真对实际控制问题理解比较清楚，能够理论联系实际解决问题，分析问题，提出改进方法，达到预期控制效果，在答辩通过的情况下，将给予优秀成绩。3、不参加答辩的将不能通过。4、最终答辩成绩将答辩与课程设计报告等几方面结合起来考虑，具体包括：学习与设计态度的认真性，课堂知识理解掌握的深入程度，仿真软件应用的熟练程度，设计方案的正确性或合理性，图文的质量效果，是否独立完成，是否具有独立分析解决问题的能力和创新精神等。附件一、单回路控制系统的概述图1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图1 单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个值，但不会影响系统的调节质量。2干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。 图2 扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。2比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。式中TI为积分时间。3比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。 式中TD为微分时间。4比例积分微分(PID)调节器PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的位置式和增量式传递函数分别为： （4）式中TI为积分时间，TD为微分时间图3表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图3 各种控制规律对应的响应过程四、 调节器参数的整定方法参照书上参数整定方法附：参考设计题目题目1 自动化的磁悬浮列车控制系统设计自动化的磁悬浮列车可以在极短的时间内正常运行，而且具有极高的速度和能量利用率。自动化磁悬浮列车的一个关键技术就是对列车的悬浮高度进行控制。图1是代表世界先进水平的德国M-Bahn号磁悬浮列车悬浮高度的计算机控制系统。若采样周期T=0.01S，试在域设计数字控制器D(z)，使系统的相位裕度满足，并估算校正后的系统阶跃响应。图1磁悬浮列车高度控制系统题目2：带扰动时滞对象的计算机控制系统设计设计制作和调试一个由工业控制机控制的时滞对象输出端具有干扰信号的计算机控制系统。通过这个过程学习电压的采样方法，A/D 和 D/A 变换方法和接口的使用方法，以及数字滤波的方法。 通过实践过程掌握常规及改进PID控制方法，熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。课程设计内容某系统的被控对象含有纯滞后环节，它的传递函数为：该系统的输入信号为带有干扰的方波信号（方波幅值1.5V，频率0.2Hz,干扰自行设计硬件电路或软件产生），采样周期1s。请完成以下任务：1）分别采用普通PID算法和微分先行PID算法进行控制，并在两种方法中均采用抗积分饱和的方法。给出两种方法下的系统响应曲线，以及控制量u的变化曲线图，详细地比较和分析所得结果。2）在对象的输出端施加一组噪声信号（自行设计噪声信号，软硬件均可）。在1)中采用微分先行PID算法的基础上，电路产生），在系统中设计低通滤波器，并详细地比较和分析所得结果。说明：上述任务中所有涉及到的常数（微分增益系数 和滤波时间常数 T ，以及 K p 、 TI 、 TD 等）均需通过实验调试得到。实验（设计）要求设计指标：系统响应曲线：稳定，上升时间短，无静差，超调小，抗干扰能力强。并根据设备情况以及被控对象，采用相应的控制算法和滤波器算法，编制程序框图和源程序，并进行实际操作和调试通过，获得满意的控制效果。题目3、无人驾驶智能车控制系统设计现代车辆安全辅助驾驶系统大体有三种类型，第一种是针对减轻车辆碰撞危害的车辆避撞报警（Collision Warning，CW）系统，此系统对探测到的危险情况仅给出报警信号，并不产生相应的控制动作；第二种是具有避撞功能的车辆自适应巡航控制 (Adaptive Cruise Control，ACC)系统，装有此系统的车辆可以实现简单交通情况下的巡航控制及避撞。本例研究的安全辅助驾驶系统就是属于这种类型的ACC系统；第三种是针对复杂交通情况，特别是市区交通环境的车辆智能控制系统，就是将第二种的ACC系统，辅以车辆停走（Stop and Go）系统，提高车辆智能控制的实用性。本文在只考虑智能汽车纵向行驶时的安全问题：1）纵向闭环控制系统包括速度闭环控制、距离闭环控制和距离速度闭环控制。控制逻辑实现在距离闭环控制、距离速度闭环控制与速度闭环控制之间进行切换。当自车与前车之间的实际距离小于安全距离时，进行距离闭环控制；反之，则根据驾驶员选择的驾驶风格，选择执行速度闭环控制或距离速度闭环控制。2）本例所研究的安全辅助驾驶系统主要针对高速公路的交通环境，对于高速行驶的车辆的速度调节仅通过节气门控制就可以达到较好的效果。 图2汽车纵向控制系统方框图3）汽车是一个复杂的控制对象，存在着非线性和时变性。要建立一个精确的车辆纵向动力学系统模型是很困难的，不但需要对系统各种复杂的参数进行辨识，而且，随着模型复杂程度的提高，系统的处理时间也随之增加，这将影响到控制的实时性。基于以上情况，对汽车模型进行了简化，得到了一个近似的线性系统，为系统仿真提供了一个良好的平台，其传递函数为：其中，是输出量，即自车速度的拉氏变换，是节气门执行器输入量的拉氏变换。如果将自车与前车之间的距离作为控制对象的输出变量，则传递函数应近似为：