专业综合课程设计指导书.doc

专业综合课程设计指导书电子工程学院自动化系2011年12月一、 课程设计的目的和要求 本次课程设计是根据“自动化专业培养计划”而制定的。综合课程设计是自动化专业的学生在学完所有专业课以后的进行综合训练的教学环节，特别是自动控制系统、电气控制与PLC、计算机控制技术等专业课学完之后的一次见习性综合性实践教学。其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。 在设计过程中，通过课程设计，使学生了解一般电气控制系统、自动控制系统和计算机控制系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法。训练学生综合运用专业课的能力，提高学生电气工程设计的能力。二、 课程设计内容综合运用计算机控制、自动控制原理与系统、过程控制系统的基本知识，熟悉自动控制系统的组成、原理及工作方式，了解自动控制系统的设计步骤与方法，增强学生分析系统、解决系统中出现问题的能力。锅炉参数监控，是过程控制的典型实例。锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。设锅炉控制系统的原理框图如下。单片机D/A执行机构被控对象反馈环节D/A广义被控对象给定值图1 控制系统原理图1、锅炉温度控制系统设计（1）系统的基本原理控制系统原理图如图1所示，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。设炉温的给定值为450oC,广义被控对象的传递函数为。（2）最少拍无纹波计算机控制系统设计最少拍控制实际上是时间最优控制，最少拍计算机控制系统的任务是设计一个数字调节器，使系统到达稳定时所需的采样周期最少，且系统在采样点的输出值能准确地跟踪输入信号，不存在静差。但最少拍系统对输入信号的变换适应能力较差，输出响应只保证采样点上的误差为零，系统的输出响应在采样点之间存在波纹，这些波纹不仅会产生误差，而且还会消耗功率，增加振动和机械磨损，降低系统寿命。最少拍无纹波数字控制器的设计要求：系统在典型信号的作用下，经过较少的节拍后，系统能够达到稳定状态，且采样点之间没有波纹。（3）设计内容 1）设计必要的硬件电路（单片机电路） 输入、输出通道扩展； 报警电路； 人机交互(键盘、显示）。 2）设计控制算法（最少拍无纹波控制器），并进行仿真，给出仿真结果。 3）数字控制器的实现方法设计。4）写出系统整体软件流程。2、锅炉液位控制系统设计（1）系统的基本原理控制系统原理图如图1所示，设广义被控对象的传递函数为，。被控对象简图如图2所示。蒸汽锅炉加热室给水图2 锅炉液位示意图（2）大林算法对于大多数工业对象，都具有较大的滞后，使控制系统的性能下降，稳定性降低，过渡过程特性变坏，引起超调和持续的振荡。大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，从而是系统不产生超调，同时保证系统的稳定性。大林算法要求在选择闭环脉冲传递函数时，采用相当于连续一阶惯性环节的脉冲传递函数来代替最少拍多项式。（3）设计内容 1）设计必要的硬件电路（单片机电路） 输入、输出通道扩展； 报警电路； 人机交互（键盘、显示）。 2）设计控制算法（大林算法），并进行仿真，给出仿真结果。 3）数字控制器的实现方法设计。4）写出系统整体软件流程。3、锅炉压力控制系统设计（1）系统的基本原理控制系统原理图如图1所示，设给定值为5.4Mpa,广义被控对象的传递函数为。（2）PID控制PID控制是自动控制中最基本的控制方式，其实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以灵活地改变PID的结构，常用的结构有：比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节。为了提高控制性能，可以对PID算法进行改进，比如积分分离PID算法、不完全微分PID算法、变速积分PID算法等。（3）设计内容 1）设计必要的硬件电路（单片机电路） 输入、输出通道扩展； 报警电路； 人机交互（键盘、显示）。 2）设计控制算法（PID控制器），并进行仿真，给出仿真结果。3）写出系统整体软件流程。4、造纸某工艺过程的流量控制系统设计（1）系统的基本原理由于上一工艺过程使纸浆输送管道内的压力波动较为剧烈，而下一工艺要求纸浆供应的流量平稳。因此，需要对纸浆输送的流量进行控制。设广义被控对象的传递函数为。（2）基于史密斯预估器的PID算法史密斯预估器的主要原理是预先估计出被控过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，力图将被延迟了时间的被控量提前送入控制器，因而控制器能提前动作，这样就消除了纯滞后特性在闭环中的影响。（3）设计内容 1）设计必要的硬件电路（单片机电路） 输入、输出通道扩展；