计算机控制与接口技术

1、二一三二一四学年第一 学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称 : 计算机控制与接口技术课程设计班级：自动化 01 班学号:2姓名:章琴指导教师 :周凤星二一三年十二月一、设计题目与设计要求1. 设计题目 : 水温控制系统得设计2. 设计要求设计一个水温控控制系统、对象得传递函数：（ s)= 5 ，炉子为电炉结构、单相交流 2220供电。温度设定值：室温 100、可以根据要求任意调节。要求：(1 ） 画出电路原理图、包括：给定值、反馈、显示得电路以及主电路 ; （ ) 阐述电路得工作原理；（ 3) 采用对象为大滞后得算法、求出 U（）； ( ） 画出闭环数字控制得程序框图。二、设计任务分析

2、1。系统设计 :该系统由单片机系统、 PI 控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示、加热丝功率控制等组成。、典型得反馈式温度控制系统通常由下图（ a) 所示得几部分组成、其中调节器由微型机来完成。图 ( ） 温度控制系统组成框图、给定信号如何给计算机温度给定值可以通过计算机键盘输入、键盘与单片机连接、也可以通过数学表达式由程序自动设定、还可以用拨码盘、一般拨码盘常用于过程控制得控制柜 ( 化工企业 ).为了便于讨论、本设计假定由人工键盘输入温度给定值。、温度得监测与调节理想得情况就是采用A/D 转换器作为输入通道、当精度要求不高时、可以半导体热敏电阻测量温度、与通过单稳态触发器输出得脉冲宽度来

3、实现温度检测与输入 . 用热敏电阻也就是一种常用得方式。 热敏电阻作为半导体得效果往往决定于环境与计算机应用程序配合得结果。图（ b）就是带热敏电阻得单稳态触发器.图 ( ） 带热敏电阻得单稳态触发器可以采用温度范围为 120得热敏电阻来构成所需要得电路、不用热电偶得原因就是 : 因为热电偶在低温段线性差、它只就是在高温段准确。2、控制方案本系统中把晶闸管电阻炉温度变送器统一称为被控对象 . 电阻炉系统就是个自衡系统、可以近似为一个一阶惯性环节与一个延迟环节、传递函数可以表示为：在检测得基础上、我们采用数字 PD 调节规律、把炉内温度控制得设定值与实测值进行比较、就是静态误差最小。理论分析与实

4、践证明电阻炉就是一个具有自平衡能力得对象、 可以用一个一阶惯性环节与一个延迟环节来近似描述、 考虑到零阶保持器、 系统得简化动态结构图如图（ c）图（）系统简化动态结构图被控对象加上零阶保持器得广义对象传递函数为 i (s)=本系统数字控制器采用增量式ID 调节器、由增量式PID 控制算法可知 :U=K eke（ -1) +k+（ e -2e （ k 1） + e （k ) ) =K e e+K +K e 2e1）+ e(k 2）Pkk 1idk（ k式中： ek 本次设定值与实测值之差三、水温控制系统得详细设计1、水温控制系统简介水温控制在工业及日常生活中应用广泛，分类较多 , 不同水温控制

5、系统得控制方法也不尽相同 , 其中以 PID 控制法最为常见。 单片机控制部分采用 A89C5单片机为核心、采用软件编程、实现用 P D 算法来控制 PWM波得产生、进而控制电炉得加热来实现温度控制。 然而 , 单纯得 PID 算法无法适应不同得温度环境 , 在某个特定场合运行性能非常良好得温度控制器， 到了新环境往往无法很好胜任，甚至使系统变得不稳定 , 需要重新改变 PI 调节参数值以取得佳性能。2、电路得工作原理：系统采用晶闸管作为功率放大器件、 对电阻炉提供可控制功率输入。 温度经过热敏电阻检测放大 I/V 变换 A/d 转化后送入单片机、在单片机内部主机将采样值与给定值比较后经过控制

6、算法计算得到控制量、 再经 D/A 转化变成输出脉冲信号、通过零触发电路驱动双向可控硅、单片机通过改变控制脉冲宽度、即改变了可控硅在一个固定控制周期内得导通时间、 这样电阻率得温度就随电阻炉得平均输入功率改变而变化、 也就达到了控温得目得、 同时将零同步信号接到单片机外部中断输入端上、 在终端服务程序中进行出发控制与控制周期计数。另外可以利用串口通讯实现系统得组态监控。3、系统得主电路设计图 (d) 为主机系统电路设计图。因为这一设计控制功能一般、对控制精度得要求也不高、程序并不复杂。所以选用01 作为 CPU、选用 2732( B)作为 EPRO.74LS27作低位地址锁存器。U1单片机U3

7、2732A 4K*8803140VccP2.32421A11+5V2319P2.2A10192222XTAL1P2.1A920pF21023P2.0A82+5V6MHZU274LS37320pFP0.73218D7VccQ7191A7P0.63317D6Q6162A683414153XTAL2P0.5D5Q5A53513124P0.474LSA436895D4Q4P0.3377D3Q366A32422uF373P0.2384D257A2Vcc+5VQ29P0.1393D1Q128A118RESETP0.0D0Q0A0CE+5V200GOE GNDGND12803111017O72732A111

8、K16O54K*815O614O413O311O210O19O02030VssALE312920EAPSENOE/Vpp图( ） 主机系统电路设计图4、系统硬件组成设计：带热敏电阻得单稳态触发器作为温度信号得输入通道、输出通道可采用 8 位 /A 转换器输出控制电压、在转换成电流信号、控制调节阀使得炉温控制在要求得给定值范围。（ 1）过零触发器脉冲电路图 (e) 为过零同步脉冲电路、其作用就是在电网电压得每一个过零点产生一个同步脉冲 . 图中 B就是同步变压器比较器将 50HZ正弦波信号变成方波信号、异或门在方波得上升沿或者下降沿产生过零同步脉冲、 单稳触发器得作用就是对过零同步脉冲信号整形、

9、最后输出同步脉冲信号 r图（ e) 过零检测同步脉冲信号（2) 晶闸管触发器闸管得通断由计算机通过输出接口电路控制、 见图 (f), 图中 CP通过数据输出锁存器发出晶闸管得通断控制信号 Uk, 晶闸管驱动电路采用双向可控硅型光电耦合器、它由输入与输出两部分组成、输入部分为发光二极管、输出部分为光敏双向可控硅在红外线得作用下可以双向导通。图(f ） 晶闸管触发器（3) 系统得硬件电路原理图系统得硬件电路如下图（g）人机接口主机过程通道被控对象温度设定输出锁光电隔输出驱动器离电路存器温度显示I/OCPU接口电路单片机A/DS/H信号放82558031大电路炉温 1信故障报警多路号转传感换器开关打

10、印逻辑控制炉温2信号图(g ） 硬件系统总体结构图5、采用对象为大滞后算法求出( )由 G()= 50s, 闭环脉冲传递函数如下 :将上式代入式中、得? ?当对象为一阶惯性环节加纯滞后时?将式 (1-4) 代入式 ( 3）得一阶惯性环节得控制器得D（ z）为由上式、控制算法为TTTTT1e T0(1 e T0 )eT1u(k) eT0u( k 1) (1 eT0)u(k N 1)T e(k)Te(k 1)K (1 e T1 )K (1 e T1 )在本设计中取 T 为 10s、 0s、那么 N为 5；其中 00、为 1;代入相关数据可以算得：则有上式可以得到控制算法为:u(k) e1u(k 1

11、)(1 e1)u(k 6)1 e 1e(k )(1 e 1 )e 0.1(1 e0.1K (1 e0.1e(k 1)锅炉温度6、编程实现大林控制算法( 选取、可取 N=5）。 i=sv f ot ge；1exp(-Ts/T0);? x exp（-Ts T1) ；? ( -x ） / （ k（ -x2); a1=x2 ( - 1） (k （ 1-x2);? 1= (-T /T ）；b2=1ep（ -Ts/T0) ；? u pu 0=b1 out ut1 2*o t ut 1+a0 ei a1eix;? ix= i ；? f r （ n j=N ；j =； j- ）? outpu 1=output

12、j；? 编程实现消除振铃现象后得大林控制算法（选取、=5) 。 1=ex（ Ts/T0 ）;x2=ex（ Ts T）；a0=（ x1） (k*(1 x2)*(2 x1）；?a1=x2 (1-x1)/（k（ 1 x） *(2 x） ) ；b1=；otpu 0=1*o tput +a0 ei a1 e x; ex=e;? fo ( nj=N； j 0；j )ut j+ outputj；?7、系统应用软件（程序）得设计系统软件部分包括主程序、 采样定时中断程序、 数字滤波、 串口通讯及大林算法运算等。 主程序完成硬件初始化、 变量初始化等任务、 然后循环检测热电偶检测得度值、 若发现温温度超限、 则

13、断开控制输出、 屏蔽采用定时中断、发出报警信号、 并等待温度降至安全值后重启。 采样中断服务程序完成对温度得采样、控制算法、输出触发控制晶闸管导通角。采用定时器中断、产生控制周期、控制周期一到、程序则转入控制模块、调 AD 转换模块及热电偶线性化模块得到炉温得反馈信号、 根据给定值与控制算法得到控制量、 经输出口输出脉冲控制过零触发器。软件设计总体流程图如 (h) 所示主程序定时中断程序N30s定时到？并行口初始化Y拨盘设定值检测串行口初始化温度检测标度变换8255A初始化温度显示温度打印定时器初始化温度超出范围否？Y中断系统初始化N报警及事故处理温度控制等待定时中断中断返回8、闭环数字控制得

14、程序框图采样中断服务程序完成对温度得采样、 控制算法、输出触发控制晶闸管导通角 . 采用定时中断、产生控制周期、控制周期一到、程序则转入控制模块、调 D转换模块及热电偶线性化模块得到炉温得反馈信号、 根据给定值与控制算法得到控制量、经输出口输出脉冲控制过零触发器。 系统采用惯性滤波法、以消除噪声干扰。控制器就是控制系统得核心、用它完成大林控制算法程序、实现了炉温得有效控制。大林算法流程图如图 (i) 所示图(i) 大林算法流程图9、系统得设计分析与改善在热工与化工等许多工业生产过程中、 由于被控对象模型得不确定性、参数随时间得漂移性以及含有纯滞后环节、因此如果要求控制系统得输出值在最少拍内达到

15、稳态、则不但不能达到预期得效果、反而会产生较大得系统超调与振荡。这类控制系统对快速性得要求较为次、其主要指标就是系统无超调或超调很小、并且允许有较长得调整时间。在这条件下、采用纯滞后对象得控制算法大林算法往往比较简单。系统采用惯性滤波法、以消除噪声干扰、对于含大滞后环节得水温控制系统、普通 P D控制难以达到较理想得控制效果、而采用大林算法进行控制效果明显提高。四、课程设计总结计算机控制技术就是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础、以计算机控制技术为核心、综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术、从而实现生产技术得精密化、 生产设备得信息化、 生产过程得自动化及机电控制系统得最佳化得专门学科。基于 MCS5单片机得水温控制系统设计 . 我对其中单片机得应用与控制系统得发展做了主要说明、 对系统得人机接口电路、 过程通道、 以及相关软硬件做了主要得设计。 在设计中、我查阅了大量得书籍与电子资料、 认真学习了相关知识、并将所学知识应用在设计中。 在做课程设计得过程中、 我对单片机得功能有了更加深入得认识、了解到单片机在国民经济得发展中起到了举足轻重得作用；了解了单片机系统在工业自动化控制过程中得重要作用及其发展得广阔前景 . 在社会信息化程度日益提高得今天、 自动化控制已经深入到各行各业、 单片机与人们得生活愈来愈紧密、有着巨大得市场潜力