计算机控制技术课程设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课程设计课程设计 具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计 班 级 姓 名 学 号 指导老师 日 期 华南理工大学自动化学院华南理工大学自动化学院 目 录 一 设计任务 1 1 1 题目 1 1 2 内容与要求 1 二 设计思想与方案 2 2 1 控制策略的选择 2 2 2 硬件设计思路与方案 2 2 3 软件设计思路与方案 3 三 硬件电路设计 3 3 1 温度传感器输出端与 ADC 的连接 3 3 2 ADC 与单片机 8051 的连接 4 3 3 单片机 8051 与 DAC 的连接 4 3 4 整机电路 5 四 系统框图 7 五 程序流程图 8 5 1 主程序流程图 8 5 2 子程序流程图 9 六 数字调节器的求解 11 6 1 基本参数的计算 11 七 系统的仿真与分析 13 7 1 0 时系统的仿真与分析 13 7 2 0 时系统的可靠性与抗干扰性分析 14 7 2 0 4461 时系统的仿真与分析 16 7 3 0 4461 时系统的可靠性与抗干扰性分析 17 八 设计总结与心得体会 20 参考资料 21 1 一 一 设计任务设计任务 一 题目设计一 题目设计 1 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节 1 s Ke G s Ts 的温度控制系统和给定的系统性能指标 工程要求相角裕度为 30 60 幅值裕度 6dB 要求测量范围 50 200 测量精度 0 5 分辨率 0 2 2 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图 并转化为系统结构图 具体要求 具体要求 温度传感器 执行机构的选型 微型计算机的选型 MCS51 AVR 等等 温度传感器和单片机的接口电路 其它扩展接口电路 主要是输入输出通道 利用 Protel 绘制原理图 制作 PCB 电路板 给出 PCB 图 3 软件部分 软件部分 选择一种控制算法 最少拍无波纹或 Dalin 算法 设计出控制器 被控对象 由第 4 步中的参数确定 给出控制量的迭代算法 并借助软件工程知识编 写程序流程图 写出主要的单片机程序 4 用用 MATLAB 和和 SIMULINK 进行仿真分析和验证进行仿真分析和验证 对象确定 K 10 log C C sqrt C rand state C T rand 1 考虑 0 或 T 2 两种情况 即有延时和延时半个采样周期的情况 C 为学号的后 3 位数 如 C 325 K 115 7 T 0 9824 0 或 0 4912 具体要求 具体要求 分析控制器能否使系统满足给定性能指标 相角裕度为 30 60 幅值 裕度 6dB 画出相应的曲线图并标注关键参数 画出阶跃响应曲线和脉冲响应曲线 5 进行可靠性和抗干扰性的分析进行可靠性和抗干扰性的分析 二 内容与要求 二 内容与要求 1 知识准备 基本要求 2 掌握系统分析和设计的基本要求和特点 系统设计的一般步骤和要点 控制对象及其分析 方案设计和结构图处理 控制任务的分解和模块设计 精度设计 变送器的选择 字长的确定 说明书 可靠性 抗干扰设计 2 自己查找资料和进行书面设计 期间进行普遍性和特殊性辅导 基本要求 传感器资料 信号归一化资料和低通滤波器资料 现代功率电子技术 变流技 术 资料 某一控制机的内存空间和端口空间分配资料计算机控制系统应用例 资料 实验内容和要求 学习查找书面设计相关的资料并进行仿真 作业要求 按格式和设计内容要求书写 计算机控制技术课程设计 和课程设 计心得 二 二 设计思想与方案设计思想与方案 2 1 控制策略的选择控制策略的选择 对于一个计算机控制系统而言 其设计方法有两种 一种是模拟化设计方 法 另一种是数字化设计方法 模拟化设计方法沿用连续控制系统的设计方法 按系统性能指标求得控制 系统的校正网络或模拟调节器 然后选择适当的采样频率对其进行离散化而得 出由计算机实现的数字调节规律 在模拟化设计方法中 PID 算法是一种非常 重要和常用的设计方法 其算法简单易行 常常能满足一般问题的求解 但对 于大滞后系统而言 却无能为力 史密斯预估补偿算法通过预估补偿器的补偿 控制 在一定程度上可解决控制滞后所带来的问题 但其对干扰抵制的效果并 不理想 且对过程模型的误差十分敏感 其物理模型的精度较难保证 直接数字设计法是在已知控制过程或广义对象离散模型的条件下 根据给 定系统期望闭环脉冲传递函数或某一优化目标函数出发 直接利用 Z 变换理论 综合设计满足性能指标的数字调节器 在解决大滞后的问题上 直接数字设计 法最常用的一种方法是达林算法 达林算法不但可以解决大滞后问题 而且可 大小减小系统过程中的超调量 还可消除振铃现象 综上所述 可以采用达林算法对此大滞后控制系统进行控制 3 2 2 硬件设计思路与方案硬件设计思路与方案 实现达林算法的控制 就是采取计算机控制系统对温度控制系统进行控制 在此 计算机可采用单片机 8051 要对温度进行控制 首先要采用温度传感器对温度进行检测 由于传感器 的输出信号较为微弱 故必须经放大后才能输入 A D 转换单元 通过 A D 转换 将放大后的模拟信号转化为数字信号后输入 8051 单片机 在单片机内部进行比 较处理和达林算法运算后把结果送 D A 转换单元 经 D A 转换后 经过驱动使 温度调节器进行相应的动作 从而达到及时控制温度的目的 在 A D 转换器或 D A 转换器与 8051 的连接时 要解决的问题是芯片的物理 地址 这就须要采用地址锁存器 74373 及译码器 74138 通过译码进行片选 可知各芯片的物理地址 另外 A D 转换器与 D A 转换器还涉及一个位数与转换精度的问题 根据题 目要求 温度测量范围为 分辨率为 则测量是量程为50 200 oo CC 0 2oC 再由 可得 可取 200 50 250 ooo CCC 250 21250 0 2 o n o C C 10 29n 12n 即采用 12 位的 ADC 和 12 位的 DAC 当采用 12 位 ADC 进行模 数转换时 其分辨率为 满 12 250 0 06 2 o o C C 0 2oC 足设计要求 2 3 软件设计思路与方案软件设计思路与方案 软件设计是计算机控制系统中最为重要的一部分 其设计的好坏直接关系 到整个系统的性能 如果软件设计得不好 则会导致系统达不到所要求的性能 指标 甚至使整个系统因不能正常运行而造成生产事故 思路如下 首先 单片机要对整个系统进行采样 这里就涉及采样时间的 问题 而采样时间可由 8051 内部定时器来实现 当 A D 转换器转换完毕后 可 通过标志位对 8051 的外部中断或提出中断请求 在中断子程序里0INT1INT 8051CPU 运用达林算法对经 A D 转换后的数据进行处理 处理完毕后 选通 D A 转换器 把数字量转化为模拟量再对温度调节器进行控制 4 三 三 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 温度传感器输出端与温度传感器输出端与 ADCADC 的连接的连接 由以上分析可知 本设计需要 12 位的 A D 转换器 可采用 AD574A 芯片进 行模 数转换 由于温度传感器的输出电压较小 电压值通常为毫安级 故必须 经放大后才能输入模 数转换器 ADC 运算放大器选择 LM139 为了提高温度传感器的灵敏度 可将温度传感器接入平衡电桥中 经差动 放大后再输入到 AD574A 的 10VIN 输入端 温度传感器输出端与 ADC 的连接如图一所示 图一 温度传感器输出端与 AD574A 的连接 3 23 2 单片机单片机 80518051 与与 ADCADC 的连接的连接 8051 的 P0 口作为 AD574A 的地址线 P0 口和 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 口 作为数据线 用于接收获取 AD574A 的转换结果 P0 口经地址锁存器 74373 锁 存 并经三 八译码器 74138 译码后的信号作为 AD574A 的片选信号输入 1Y AD574A 与 8051 的连接图如下所示 接 AD574A 输入 端 5 图二 AD574A 与 8051 的连接图 3 33 3 单片机单片机 80518051 与与 DACDAC 的连接的连接 由上可知 本设计需要 12 位的 A D 转换器 与之相对应 可采用 12 位的 D A 转换器 DAC1208 芯片进行模 数转换 8051 的 P0 口作为 DAC1208 的地址线 P0 口和 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 口 作为数据线 用于传送经达林算法后的运算结果 P0 口经地址锁存器 74373 锁 存 并经三 八译码器 74138 译码后的信号作为 DAC1208 的片选信号输入 0Y 8051 与 DAC1208 的连接图如下所示 6 图三 8051 与 DAC1208 的连接图 3 4 整机电路整机电路 综合上述 可得计算机控制系统整机电路如下图所示 7 图四 整机电路 四 四 系统框图系统框图 结合整机电路图 易得本计算机控制系统的框图如下图 a 所示 图 b 是其等效系统模型 为采样周期 D z 为数字调节器 为采样保 s T h G s 持器 为广义对象 G s 8 温度数字量 给定 单片 机 DAC温度调 节器 被控 对股 集团 象 ADC温度传 感器 计 算 机 温度 放大 电 路 a D z h s G G s y温度数字量 给定 s T s T 计 算 机 b 图五 大滞后温度控制系统结构图 图中 由单片机 模 数转换器 AD574A 和数 模转换器 DAC1208 组成计算机 系统 温度传感器的输出信号 经放大电路放大后 作为计算机系统的输入信 号 经模 数转换后与计算机内部的温度数字量进行比较 从而得出偏差信号 偏差信号再经过单片机 8051CPU 进行达林算法处理后将运算结果送往数 模转换 器 将转换结果送给温度调节器 使之产生相应的动作 从而达到控制被控对 象温度的目的 五 五 程序流程图程序流程图 5 1 主程序流程图主程序流程图 9 主程序 采样值形成 初始化 否 清采样标志 查表和对应温度 温度值送 AD574A A D 转换值送 8051 达林算法得控制量 启动 DAC1208 转换 转换值送温度调节器器 是 图六 主程序流程图 5 2 子程序流程图子程序流程图 10 读 A D 转换结 果 置采样标志位 中断返回 采样周期已到 重置采样值 定时值 1 ccTT 启动 AD574A 中断返回 是 否 启动 AD574A 读模拟输入量 A D 转换 转换结果送 8051 A D 转换子程序 返回 达林算法结果送 P1 口 启动 DAC1208 D A 转换 转换结果送温度调节器 D A 转换子程序 返回 中断子程序 0T a b c d 图七 子程序流程图 中断子程1INT 序 11 六 六 数字调节器的求解数字调节器的求解 6 1 基本参数的计算基本参数的计算 由题目要求 对象确定 K 10 log C C sqrt C rand state C T rand 1 其中 C 为学号后 3 位数 考虑 0 和 T 2 两种情况 对于本人来说 C 427 则 K 10 log 178 178 sqrt 178 121 1345 rand state C T rand 1 0 8923s 从而可考虑 0 和 T 2 0 4461 两种情况 当广义对象带有时延环节时 采样周期与时延时间之比宜取或 由1 11 2 0 4461 可取采样周期 0 4461s s T 要运用达林算法求取数字调节器 D z 还必须知道系统的期望闭环传递函 数 H z 为此 我们不妨设 其中 与上意义相同 为对象的 1 s e H z s 滞后时间 为系统的期望闭环时间常数 6 26 2 数字调节器数字调节器 D D z z 的实现 的实现 被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节 0 1 1 s ke G s s 假设其期望的闭环传递函数为 其中 为采样周期 1 s e H s s s LT s T L 为整数 由此可得到 1 1 1 1 0 1 1 z KzsGsGZzG L h 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 L zzK z zD 其中 1 1 s TTs ee 12 取 K 121 1345 1 0 8923 0 6 0 9096 0 5354 1 0 6 0 4461 L 1 Ts 0 4461s 通过计算可以得到 0 4346 0 6065 1 1 1 1 L Z Z 1 1 1 1 L zz z 2 1 1 0 4346 1 0 4346 z z 2 1 0 5654 1 0 4346 z z 1 1 1 1 1 1 L G zKz z 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 L Z D Z KZZ 由表达式可以求出其差分方程为 D z 1 1 1 2 u kAe kBe kCu kC u k 其中 1 1 1 A k 1 BA C 由此求得本系统其差分方程为 u k 0 0119e k 0 0072e k 1 0 4346u k 1 0 5654u k 2 七 七 系统的仿真与分析系统的仿真与分析 7 17 1 0 0 时系统的仿真与分析时系统的仿真与分析 当 0 时 系统的仿真框图如下所示 13 图八 0 时的系统仿真框图 在阶跃输入下 其仿真波形如下所示 a 系统阶跃输出响应 b 数字调节器输出波形 图九 阶跃输入下 0 时的仿真波形 由上波形图可知 系统是稳定的 且具有较好的性能 为进一步确定系统 是否符合相角裕度和幅值裕度的要求 还需看系统响应的伯德图 根据 0 时 的表达式 可得系统的伯德图如下所示 k G z 14 图十 0 时系统的伯德图 由上伯德图可知 系统的相角裕度为 110 180 70 幅值裕度 为10 3dB 满足相角裕度为 30 60 幅值裕度的设计要求 6dB 7 2 0 时系统的可靠性与抗干扰性分析时系统的可靠性与抗干扰性分析 当 0 时 为验证系统的可靠性与抗干扰性能 可在对象传递函数前加入 一个单位阶跃扰动 所得系统仿真框图如下所示 图十一 0 时单位阶跃干扰下的系统仿真框图 仿真结果如下所示 15 b 控制信号 d 输出信号 图十二 0 时单位阶跃干扰下的仿真结果 由上的仿真结果可知 对于阶跃干扰信号来说 系统有较好的抗干扰性能 16 在外部干扰作用后较短的时间内 系统能够恢复到初始状态 正常运行状态 综合上述分析可知 当 0 时 不管是从系统的稳定性还是抗干扰性来进 行分析 系统都具有较好的性能 也就是说 由达林算法设计出的本系统具体 较好的静态特性和动态特性 系统的性能较好 可靠性较高 7 3 0 4461 时系统的仿真与分析时系统的仿真与分析 当 0 4461 时 系统的仿真框图如下所示 图十三 0 4461 时的系统框图 在阶跃输入下 其仿真结果如下所示 17 a 系统阶跃输出响应 b 数字调节器输出波形 图十四 阶跃输入下 0 4461 时的仿真结果 由上波形图可知系统是稳定的 且具有较好的动态性能 为进一步确定系 18 统是否符合相角裕度和幅值裕度的要求 还需看系统响应的伯德图 根据 0 4461 时系统的开环传递函数可得系统的伯德图下图所示 图十五 0 4461 时系统的伯德图 由上伯德图可知 系统的相角裕度为 110 180 70 幅值裕度 为8dB 满足相角裕度为 30 60 幅值裕度6dB 的设计要求 0 4461 时系统的可靠性与抗干扰性分析时系统的可靠性与抗干扰性分析7 4 当 0 4461 时 为验证系统的可靠性与抗干扰性能 可使图十三中在对 象传递函数前加入一个单位阶跃扰动 所得系统仿真框图如图十六所示 19 图十六 0 4461 时单位阶跃干扰下的系统仿真框图 仿真结果如下所示 20 b 控制信号 d 输出信号 图十七 0 4461 时单位阶跃干扰下的仿真结果 由上的仿真结果可知 对于阶跃干扰信号来说 系统有较好的抗干扰性能 综合上述分析可知 当 0 4461 时 不管是从系统的稳定性还是抗干扰 性来进行分析 系统都具有较好的性能 也就是说 由达林算法设计