计算机控制课程设计——大纯时延一阶惯性环节温度控制系统

1、目录一）课程设计内容任务,3二）对课设任务的解读,3三）系统结构模型框图,3四）各部分程序流程图,4五）数字控制器设计 , 5六）系统仿真 ,6七）抗干扰性分析 ,11八）硬件设计 ,13九）系统设计硬件元素选型 , 14 十）心得体会 ,16十一）参考文献 ,16I/J114/VI 附 硬件设计图- 1 -、课程设计内容任务1针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(G(s)=K*e- 0 s/(Ts+1)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 3060,幅值裕度6dB);要求测量范围-50 C 200C,测量精度0.5 %，分辨率0.2 C;2、书面设计一个计算机控制系统的硬

2、件布线连接图,并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图;4、用MATLAB SIMULINK进行仿真分析和验证；K=10*log(C*C-sqrt(C),rand( state ,C),T=ran d(1), 0 =0 或 T/2 , C为 学号的后 3 位数，如：C=325 K=115.7, T=0.9824 , 0 =0或 0.4912 ;5、进行可靠性和抗干扰性的分析；6、书写设计体会和心得。二、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制，选取实际生活中常见的温度 为控制对象；2、 该任务只需要一个控制对象，进行可靠性和

3、抗干扰性分析时设定随机干扰量， 观察仿真 图形和性能，故可以选取 简单回路控制系统模型 进行设计；3、硬件设计过程采取分步设计，由局部到整体，主要有温度检测模块、输入通道部分、输 出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数码管显示等；4、 取0 = T/2 ,大纯时延系统的控制算法有多种，根据其特定性能，本设计在PID算法和 达林算法之间权衡之后做出选择，最终采用 达林控制算法 来实现系统控制，取期望闭环 传递函数 H(s) ，求解出数字控制器 D(z) 及其差分方程；5、 编写程序流程图，采取正确的思路和方法，包括主程序流程图、8155 初始化、滤波、键 盘输入、达林算法

4、、延时等；6、 仿真分析和验证过程采用MATLAB SIMULINK实现，主要针对仿真性能调节系统参数，并结合 典型输入信号的随机干扰 进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。三、系统结构模型本系统采用简单回路计算机控制系统，其输入为温度设定值，输出为调节控制信号，整 个系统由以下图所示各部分组成。1、 如下图所示为简单回路计算机控制系统框图， 由输入设定值与系统输出值的偏差传递到 数字控制器，并产生控制信号，针对本设计所假定的特定控制对象温度进行循环重复式 的校正和调节。- # -2、如下图所示为本设计计算机控制系统的硬件结构框图（简单回路计算机控制系统的结构 图），主要由模拟输入通道和模拟输出通

5、道组成，通过该回路对控制对象不断的调整，指导 满足系统要求及各项性能指标。四、各部分程序流程图由于要使用计算机作为控制设备，要对温控对象实现较好的控制，使其满足较好的性能指标，故本设计采取程序主要包括如下部分：主程序T1中断程序采样中断程序达林算法程序等各程序流程如下图所示：- 3 -1王程序主程序主要是对电路进行初始化，并且开相关的中断，使到设备对温度进行采样、控制，以及显示输出。2、T1中断服务程开始3、达林算法控制程序计算数字控制器的控制信号，每次读取e(k)，然后计算出参数,输出控制序列u (k)，然后变换 e( k 1)、e ( k 2),u (k 1), u (k 2),为下一次计

6、算作准备。达林算法程序流程图：读数据e (k)计算参数计算数字控制器输出u(k) =Ae(k) Be(k -1) Cu(k -1) (1-C)u(k-2)输出u (k)控制变换e(k)和u (k)e(k-2) e(k-1),e(k-1) Je(k),u(k-2) Ju(k-1) ,u(k-1) J u(k)-5 -返回4、采样程序用于对温度进行采样，对采样温度值的处理用了连续N次，再取平均的方法得到最后的平均采样温度值。在开始时，对采样设备进行初始化， 设定采样次数以及计算次数，然后结束后,计算出平均值，进行 A/D转换，并输送给处理器。采样程序流程图五、数字控制器设计（取0 = T/2 ）本

7、人学号200xxxxx232,所以C= 232根据设计要求，用 matlab计算出系统参数，确定系统的传递函数。对于系统Go（s）Ke式中：T时间常数K调节系统总的放大倍数- 7 -t 系统的纯滞后时间，且N Ts，Ts为采样周期。计算用程序: k=10*log(232*232-sqrt(232)k =108.9319 ran d(state,232); t1=ra nd(1)t1 =0.00900 =t1/2 = 0.0045代入数据，系统的传递函数为：_ 108.9319eS0045s G(s)二0.0090s+1其波特图为：斗Q3D2010002880Bode Diagram-1oi10

8、 10 10 110-1440由图可知，其幅值裕度与相角裕度均不符合要求，系统性能差，需要校正。按照设计要求, 运用计算机作为控制装置对系统进行校正。当对象的纯延迟时间 0与对象惯性时间常数 Tm之比大于等于 0.5时，采用常规 PID 算法难于获得良好的系统性性能。达林算法的目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有滞后的一阶惯性环节，且它得纯时延时间与被控对象时延相同。跟史密斯对比起来，达林算法比较适合的被控对象多为工业中的热工或化工过程中， 被控对象具有纯滞后环节且容易引起系统超调和持续的振荡。综合考虑之后，决定采用达林算法来进行数字控制器的设计。由达林算法知

9、：被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节:ksSR- # - # -e母假设其期望的闭环传递函数为：H(s)1s1，其中LTs，Ts为采样周期，L为整数。由此可得到：G VGhgW,D (z)(1 一匚)(1 一；诃一1 )1(L 41)K (1 一 i ) 1 一 ；z -(1 一匚)z)其中:=e s ；二 eTS 1- # - # -确定参数值过程K=k =108.93191 =0.00900 =t1/2 = 0.0045=(1/21/3 )1=0.002Ts= 0 /L=0.0090/2=0.00225TS/t-1.125er = e = e=0.3247/ TS/t1-0.25o- 1

10、= e = e=0.7788G(z)二24.10Z”1 - 0.7788z_10.0280- 0.0218Z，1 -0.3247zJ - 0.6753Z；所以由D(z)表达式可以求出其差分方程为:u(k)二Ae(k) -Be(k -1) Cu(k -1) (1 -C)u(k -2);其中：1 - = 10s时，r (t )= 100, 当t = 20s时，r (t )= 10; 当t20s时，r (t )= 0),用来模拟在现实情况下，某一随机时刻，有干扰信号参入的系统中。F图将仿真结果列出:稳态误差e (t)波形数字调节器输出波形系统输出波形分析：当系统输入突加给定时，稳态误差发生变化，数字

11、调节器根据变化产生控制信号，使系统输出跟随输入信号的变化，达到稳定状态。当又到系统受到干扰时，数字调节器再次根据稳态误差产生控制信号，消除干扰的影响，使到系统回复到稳定状态。 说明系统具有良好的调节性能以及抗干扰性能。八、硬件设计1、复位和晶振电路:其中VCC为5V,晶振频率为12MHzD1的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在VCC+0.5V左右，另一作用是系统断电时，将 R0电阻短路，让 C3快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。当 80C52在工作时，按下 SO开关时，复位脚变成低电平，触发80C52芯片复位。2、单片机接口扩展电路:31I*-iJ.MI通过80C52的P2

12、0、P21、P22产生片选信号，通过 74LS138的译码电路进行译码，分别 对3片8155进行片选。3、模拟输入通道:信号输入过程为：温度检测滤波整形放大 f/D转换一并行接口 8155 CPU通过温度检测电路将温度信号转换成电流、电压信号，再通过滤波整形及放大电路，输入到A/D转换器中，通过8155的PC口控制A/D转换器的选通、采样、转换、读入，在 同个采样周期重复进行上述过程，并取平均值作为该采样周期的值，再与给定信号比较,通过CPU的计算得出控制值，再通过模出通道对对象进行控制。1）温度检测及整形滤波放大电路:ADC0809的模拟输入电压（0 5V之间）信号，并将信号传送给 AD08

13、09IN0 口。- 15 - # -2）其余部分连接电路:如上图中所示，左侧为 8155芯片，右侧为ADC0809温度检测及滤波整形放大电路得到- # - # -的模拟输入信号由IN-0输入ADC0809再通过8155传送给80C52.- # -4、模拟输出通道:输出信号传递过程：CP并行接口 8155 D/A转换一 加热电压调节线路 一加热电压从CPU俞出计算好的数字信号的控制量到模出通道的8155的A 口连接的D/A，再由C 口控制D/A的读入、转换，D/A输出的控制两用作同步脉冲线路的给定量，通过单相交流可控硅电压调压线路调节加热电压线路。再通过检测电路把调节结果反馈回去，周而复始，最终

14、使控制对象温度稳定控制在150 C。1) DAC0832输出信号电路:2)加热电压电路:如上图所示：主电路采用两只单向晶闸管反并联的形式，在交流电压的正半周期使其中 一只晶闸管导通，在负半周期使另一只晶闸管导通。开关为驱动电路部分的总开关，左 边的灯用于指示开关是否接通，右边的灯用于指示负载上是不是有电压，控制电路通过 控制反并联晶闸管的通断来控制加在负载上的电压大小。九、系统设计硬件元素选型1、 主控制芯片80C52: 80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，采用INTEL公司可靠的CHMO工艺技术制造的高性能 8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMO产品。 它结合

15、了 HMOS勺高速和高密度技术及 CHMO的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于 80C51 增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下 计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器 RAM 8k片内程序存储器(ROM 32个双向输入/输出(I/O) 口、 3个 16位定时/计数器和 5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电 路。此外， 80C52 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存R

16、AM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。2、译码片选芯片 74LS138: 它是一个 3-8 译码器， 3-8 译码器是通过 3条线来达到控制 8条线的状态， 就是通过 3条控制线不同的高低电平组合 , 一共可以组合出 8种状态， 即 2的3次方。在电路中，主要起到扩展IO资源的作用。3、接口扩展芯片 8155: Intel 8155 芯片内包含有 256个字节 RAM， 2个 8位、 1个6位的可编程并行I/O 口和1个14位定时器/计数器。8155可直接与MC& 51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 口，因而是MC& 51单片机系统中最常用的外

17、围接口芯片之一 ,8155 内部结构包括两个 8位并行输入 /输出端口， 一个 6位 并行输入/输出端口，256个字节的静态随机存取存储器RAM 个地址锁存器，一个14位的定时器 / 计数器以及控制逻辑电路，各部件和存储器地址的选择由IO/M 信号决定。4、ADC0809 ADC0809是 CMOS片型逐次逼近式 A/ D转换器，可以和微机直接接口，由八 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 256 电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存 器SAR控制电路和三态输出锁存器等组成。5、 DAC0832 DAC0832由美国国民半导体公司(National Semiconductor Corpora

18、tion)研 制的8位芯片，DAC0832由“ 8位输入寄存器”、“ 8位DAC寄存器”和“ 8位DAC转换电 路”三部分电路组成。6、 铂电阻温度传感器 Pt100 :铂电阻温度传感器 PT100，电阻温度系数为 3.9 X 10-3/C, 0 C时电阻值为100 Q,电阻变化率为 0.3851 Q /C。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200 C650C)最常用的一种温度检测器，对于本 设计要检测的-50 C200 C刚好合适，而且其本身广泛应用于工业测温，而且被制成各 种标准温度计。7、其他例如导线、电阻、电感、电容、二极管、三极管等元器件。- 17 -十、心得体会课程设计之前，通过以前各门专业课程的学习，我已经掌握了计算机控制、自动控制、 单片机、检测技术、 电力电子技术等知识，对控制系统设计有了一定的初步概念和想法。虽 然在实际生产中不同的控制对象， 其系统的设计要求是完全不同的， 可是设计的基本原则和 思路基本一致，只要能较好地掌握它，就能应对大多数的控制对象。本次设计的核心部分是建模和控制算法确定。 在实际生活中计算机控制系统控制效果的 优