计控华工年计控课程设计.docx
《计控华工年计控课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计控华工年计控课程设计.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
计控华工年计控课程设计
本科课程设计（论文）
题目：
具有纯滞后一阶惯性系统的
计算机控制系统设计
课程名称计算机控制技术课程设计
学院自动化科学与工程学院
班级
学生姓名
学生学号
指导老师刘屿
提交日期2014年
分数
第一部分设计任务2
一、课程设计任务题目及要求2
二、课程设计任务对象与设计的分析论证3
第二部分设计方案5
一、设计方案分析论证5
二、系统方框图17
三、程序设计流程图18
第三部分电路设计23
一、器件选型23
二、温度检测电路与整形放大滤波电路24
三、A/D转换电路25
四、D/A转换电路26
五、数码管显示电路27
第四部分整机电路图27
第五部分安装调试及性能检测28
一、安装调试28
二、系统仿真28
三、抗干扰性能分析30
四、元件清单35
五、程序35
第六部分心得体会37
第七部分参考文献39
具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计
第一部分设计任务
一、课程设计任务题目及要求
题目：
具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计
要求：
1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节
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；
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和SIMULINK进行仿真分析和验证;
对象确定：
K=10*log（C*C-sqrt（C））,rand（‘state’,C）,T=rang
（1）,
考虑θ=0或T/2两种情况。
C为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912
5、进行可靠性和抗干扰性的分析。
6、时间安排：
7天
二、课程设计任务对象与设计的分析论证
1.控制对象的分析与说明
由所给设计任务可知，本设计的控制对象是一个含有具有大时滞的一阶惯性环节
的系统，而在通常的温度控制系统中，控制对象往往就可以视作含有一个大纯时延时间的一阶惯性环节的系统，故本次计算机控制系统设计则可以以一个温度控制系统为例设计：
加热炉温度控制系统。
目的是保持被加热液体的温度与设定值尽量一致，当系统出现干扰时能够较快地恢复到设定值。
根据K=10*log（C*C-sqrt（C）），rand（‘state’，C），T=rand
（1），考虑θ=0或T/2两种情况，C为学号后3位数的条件，加上本人的学号为，本人学号后三位为447，故可用MATLAB计算得：
>>K=10*log（447*447-sqrt（447））
K=
122.0501
>>rand（'state',447）
>>T=rand
（1）
T=
0.8190
由要求可得θ=0或θ=T/2=0.4095
（1）当纯时延为0时（
=0），被控对象传递函数为：
（2）当纯时延为T/2（
＝0.4095），被控对象传递函数为：
针对以上两种情况，需要分别进行分析，以取得预期效果。
2.系统设计的一般步骤和要点
建模：
描述控制量和输出量之间的数学关系；
确定控制任务：
动态和静态指标；
选择算法；
系统结构包括系统总线的选择；
内存空间分配：
系统软件、应用程序、待扩充；
I/O分配：
模拟/开关量I/O、待扩充；
模拟量I/O通道的配置；
中断、查询处理方式的确定；
即组构计控系统原理描述图，包括信号流程图（接合控制对象的工艺流程）；
给定量方式
线路方案采样信号
口地址分配内存参数区
滤波环节控制量输出
信号标准化算法步骤
技术指标
负载考虑
如MOS、TTL器件逻辑电
平、I/O电流、输入/输出
能力，以及缓冲器的选择N
Y
机箱设计、布线走向
电路板设计
端接板配置
Y
N
NY
第二部分设计方案
一、设计方案分析论证
1.控制对象特性分析
（1）当θ=0时，
使用matlab画出其频率特性曲线图，程序如下：
>>num=[122.0501]
den=[0.81901]
g=tf（num,den）;
margin（g）;
gridon;
num=
122.0501
den=
0.81901.0000
下图为θ=0时的系统波特图：
从上图可以看出，当?
?
0时，
由上图可知，系统幅值裕度为无穷（Inf），但相角裕度为90.5deg，不满足系统要求。
（2）当θ=0.4095时，
使用matlab画出其频率特性曲线图，程序如下：
>>num=[122.0501]
den=[0.81901]
g=tf（num,den,'iodelay',0.4095）;
margin（g）;
gridon;
num=
122.0501
den=
0.81901.0000
下图为θ=0.4095时的系统波特图：
由上图可知，幅值裕度为-0.423dB<6dB,相角裕度为-166deg，也不满足题目要求。
故需对对象进行合理控制使其工作符合要求。
综上所述，需对θ=0和θ=0.4095的情况分别进行设计。
2.算法选择
最小拍无纹波：
即最少调整时间系统，在给定某种典型输入（如单位阶跃输入、单位速度输入或单位加速度输入）条件下，通过设计一个控制规律使得闭环系统输出具有最快的响应速度，且输出的采样点之间没有纹波。
在满足系统的快速性、准确性、稳定性和可实现性条件下，设计出来的数字调节器可以实现无静差的稳定状态。
但是最少拍系统存在着局限性：
对输入信号类型的适应性差；
对系统参数的变化敏感；
控制作用易超出允许的控制范围。
Dalin算法：
在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，如在热工和化工的许多工业生产过程中，其被控对象模型的不确定性、参数随时间的漂移性和含有较大的纯滞后，如果要求控制系统在最少拍内达到稳态，则不但不能达到预期的效果，反而会引起系统产生大的超调或振荡。
而事实上，对这类系统的控制要求，快速性是次要的，而主要要求系统没有超调或很少的超调。
达林算法就是一种专门针对工业生产过程中含有纯滞后控制对象的直接数字设计算法。
综合选择：
对温度控制系统的要求,主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化,超调小或者无超调,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。
而Dalin算法的设计目标是对带时延的一阶或二阶惯性环节工业对象，设计一个数字调节器，使得整个闭环系统的传递函数为具有纯时延特性的一阶惯性环节，目的是使输出无超调或者超调很小。
结合本次课程设计的控制对象数学模型，若其为不带延时的一阶惯性环节，则选用
（1）方案，用最少拍无波纹来设计控制器；若其为带时延的一阶惯性环节，而设计目标就是无超调或者超调很小，故选用
（2）方案，用Dalin算法来实现对系统的控制。
3.控制器设计
（1）当θ=0时，
现采用最少拍无纹波设计方法设计该对象的控制器D（Z），取采样周期为T=0.1T=0.08190s。
设系统输入为单位阶跃输入1（t），则系统期望闭环传递函数为：
H（z）=
G（z）=
=
用matlab进行z变换：
>>H=tf（[0122.0501],[0.81901]）
H=
122.1
-----------
0.819s+1
Continuous-timetransferfunction.
>>Hd=c2d（H,0.08190,'zoh'）
Hd=
11.61
----------
z-0.9048
Sampletime:
0.0819seconds
Discrete-timetransferfunction.
数字调节器控制规律D（z）为：
D（z）=
=
系统开环脉冲传递函数为：
＝D（z）G（z）＝
＝
因此，对最少拍系统进行开环特性测试，MATLAB程序以及运行结果如下：
>>Ts=0.1
dnum=[1]
dden=[1,-1]
Zk=tf（dnum,dden,Ts）
margin（Zk）
Ts=
0.1000
dnum=
1
dden=
1-1
Zk=
1
-----
z-1
Sampletime:
0.1seconds
Discrete-timetransferfunction.
由上图可知系统幅值裕度为6.02dB，相角裕度为60deg，符合设计要求。
采用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，系统框图如下：
仿真结果如下：
控制波形如下：
输出波形如下：
放大后：
由上图可以看出，t＝1s时给系统施加了单位阶跃给定输入信号，系统输出在0.081s内跟随了输入。
当阶跃出现时，系统能够大约在一个采样周期（0.0819s）后准确地跟随系统输入设定值，达到了性能设计要求。
2）当θ=0.4095时，
由于控制对象的纯时延特性常导致控制系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。
有资料指出，当对象的纯延迟时间与对象惯性时间常数
之比大于等于0.5时，采用常规PID算法难以获得良好的系统性能，因此考虑采用达林算法。
带纯时延特性的一阶惯性环节如下：
其中，
＝0.4095，
＝0.8190，K=122.0501。
由达林算法，取得系统期望闭环传递函数为：
式中，
＝0.8191，大于
，则RA≤0，无振铃现象。
由于
＝L×T，取L＝2，可得T＝
/2＝0.20475s
＝
＝0.7788，
＝
＝0.7788
由以上数据可得系统期望闭环脉冲传递函数为：
H（z）＝
＝
＝
被控对象的广义脉冲传递函数为：
G（z）＝
＝K
＝
数字控制器的控制规律为：
D（z）＝
＝
＝
系统开环脉冲传递函数为：
＝D（z）G（z）＝
加上比例的控制器：
D（z）=
G（k）=
由以上结果，通过MATLAB仿真结果如下：
输入程序：
>>Ts=0.20475
dnum=[0,0,0,0.2211]
dden=[1,-0.7788,0,-0.2212]
Zk=tf（dnum,dden,Ts）
margin（Zk）
输出结果：
Ts=
0.2047
dnum=
0000.2211
dden=
1.0000-0.77880-0.2212
Zk=
0.2211
-------------------------
z^3-0.7788z^2-0.2212
Sampletime:
0.20475seconds
Discrete-timetransferfunction.
波特图如下：
由上图可知，在未加入适当的比例增益，系统的幅值裕度为12.2dB，相角裕度为72deg，可见该系统并不符合设计要求，故需要加入适当的比例增益，降低系统的相角裕度。
加入一个适当的比例增益
＝1.8之后，MATLAB仿真程序以及结果如下：
输入程序：
>>Ts=0.20475
dnum=[0,0,0,0.3980]
dden=[1,-0.7788,0,-0.2212]
Zk=tf（dnum,dden,Ts）
margin（Zk）
输出结果：
Ts=
0.2047
dnum=
0000.3980
dden=
1.0000-0.77880-0.2212
Zk=
0.398
-------------------------
z^3-0.7788z^2-0.2212
Sampletime:
0.20475seconds
Discrete-timetransferfunction.
其波特图如下：
由上图可知，系统的幅值裕度为7.13dB，相角裕度为57deg。
可见，加入了一个1.8的比例增益之后，系统的性能能够符合设计要求。
采用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，系统框图如下：
阶跃信号
偏差信号
控制信号
输出信号
由上图可知，在t＝1s时对系统施加一个单位阶跃给定输入信号，在规定的采样周期时间之后一定的微小延迟系统达到了稳定。
系统无超调，调节过程也较快，调节性能保持较佳状态。
系统在一个采样周期之后一定的误差范围内稳定，并准确跟随输入信号，调节性能良好，整个系统性能足以满足设计要求。
二、系统方框图
1．控制系统结构示意图
数字控制器零阶保持器被控对象
e（k）
e（t）u（k）u（t）输出Y（t）
+
-
2．硬件结构框图
控制策略：
温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到AVR单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号与给定值比较，差值送入单片机。
单片机利用A/D转换器对差值信号进行采样，相当于将差值送入数字控制器，运用达林算法计算出控制量，再经过D/A转换输出控制量作用于被控对象。
通过加热丝来控制对象温度，使其温度与设定值相同或相近。
三、程序设计流程图
1.主程序流程图
单片机一上电，就进行初始化，清除缓冲区，置定时器初值，并且启动定时器，利用A/D转换器，定时对温度进行采样，与设定值进行比较，运用相应的算法得出控制量，在经过D/A转换器输出，对温度进行合理控制，使其与设定值相等或相近。
2.温度采集流程图
当AT89S52执行外部存储器写指令时，使得CE=1,
=0,R/
=0,A0=0,启动12为转换有效。
然后通过89s52通过P3.4线查询STS端口状态，当STS为0时，表明转换结束。
由于AD574的12位转换速度很快，故适用与查询方式。
之后89S52执行两条度外部数据存储器指令，分别读取转换结果的高八位和低四位数据。
此时CE=1,
=0,,A0=0（或A0=1）。
定时器0中断
N
Y
N
Y
温度采样流程图
3.达林算法及其控制量输出流程图
达林算法主要是用于对大滞后对象进行控制，使其达到预期的控制效果。
将达林算法运算得出的数字控制量送到D/A转换器，进行D/A转换，输出模拟控制量施加于加热丝或其他加热器件，对温度进行调节。
其流程图如下所示：
4.软件实现
A、当θ=0时
采用迭代程序法：
系统状态方程及输出方程如下：
编程框图如下：
B、当θ=0.4095时
采用嵌套程序法：
系统状态方程及输出方程如下：
编程框图如下：
第三部分电路设计
一、器件选型
（1）控制芯片的选择:
方案一：
应用ATmega16作为控制器。
速度快，超功能精简指令集（RISC），内部集成了较多的中断源和定时器资源及可编程flash大，具有八路十位A/D转换通道，级联通信号好的特点。
方案二：
采用AT89S52作为控制器。
优点：
普遍使用，价格便宜；缺点：
中断源和定时器资源少，可编程空间小。
由于本设计对I/O口的操作比较简单，对flash要求也不高，故选用方案二AT89S52单片机做为主芯片。
（2）温度传感器的选择:
方案一：
采用DS18B20作温度传感器。
DS18B20现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，无需外接模数转换器（AD）,DS18B20数字温度计提供12位二进制温度读数，指示器件的温度，增量值为0.0625℃，。
测量温度范围从-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内，精度为
0.5℃，9~12位分辨率可调。
方案二：
采用Pt1000铂电阻作测温传感器。
热电偶产生的热电动势经放大器放大再经过AD转换器转换成数字信号输入到单片机。
结合本设计要求，测量范围为-50℃～200℃，而DS18B20直接把检测的温度输出数字量，可以省去AD转换器，但是其测温范围为－55℃～＋125℃,不满足设计要求。
故我们选用方案二。
（3）A/D转换器的选择
根据设计要求：
测量精度0.5％，分辨率0.2℃，而其总的测量的温度范围为250摄氏度，250/0.2=1250，用十位的A/D转换器无法满足系统要求，需12位来实现系统需求，故此系统中选用AD574作为D/A转换器.AD574是快速型的12位逐次逼近式A/D转换器。
它无需外接元器件就可以独立完成A/D转换的功能，转换时间为15—35us,可以并行输出12位，也可以分为8位和4位两次输出。
（4）D/A转换器的选择
温度检测值输入单片机后经算法计算之后输出的控制量经D/A转换器转换成模拟量施加于加热器件中用于调节温度。
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
其主要参数为：
分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，200mW。
其使能端CS由单片机的P2.6控制，DAC0832的DI0—DI7分别与单片机的P0.0—P0.7连接，采用单缓冲输出方式，输出端再接uA741放大器输出模拟电压。
二、温度检测电路与整形放大滤波电路
信号检测电路是温度控制系统的重要组成部分，其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。
故本系统选用性能稳定的PT1000铂热电阻传感器作为测量温度信号的敏感元件。
其阻值随温度的变化为：
0℃时阻值为1000Ω,温度系数为3．84Ω℃。
线性度小于0．5％。
信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号,铂热电阻器Rt和精密电阻器R11、R12及R13组成测量电桥。
此测量电路采用桥式电路来提高测量精度，经过运算放大器LM139将电压信号放大后输出，通过选择合适的热敏电阻或偏移处理得出相对应的电压-温度关系，即Vx=V0+m*Tx。
其中，（V0为电压偏移量，m为常数，Tx的范围从-50℃到200℃）
其检测电路如下所示：
温度检测及低通滤波电路
三、A/D转换电路
该系统设计要求分辨率为0.2°C，测量范围为（-50～200）°C，总的测量的温度范围为250摄氏度，250/0.2=1250，故选用12位的A/D转换器AD574。
AD574为单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，外接元件少，功率低，精度高等特点，并具有自动校零和自动极性转换功能。
其转换速率为25us，模拟电压输入范围为0~10V，0~20V，0~5V，0~10V。
此A/D转换器转换精度为1/2,系统可以达到分辨率为0.06°C,满足系统需求。
AD574的A0和R/C通过74LS373与单片机的P0.6与P0.7连接74LS373的1D—8D分别与单片机的P0.0—P0.7连接。
其电路图如下所示：
四、D/A转换电路
温度检测值输入单片机后经算法计算之后输出的控制量经D/A转换器转换成模拟量施加于加热器件中用于调节温度。
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
其主要参数为：
分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，200mW。
其使能端CS由单片机的P2.6控制，DAC0832的DI0—DI7分别与单片机的P0.0—P0.7连接，采用单缓冲输出方式，输出端再接uA741放大器输出模拟电压。
其电路图如下所示：
D/A转换电路
五、数码管显示电路
采用四位共阳数码管来显示当前的温度值。
如下图所示：
数码管显示电路
第四部分整机电路图
第五部分安装调试及性能检测
一、安装调试
通过电路图可以制作得到温度控制系统，这里篇幅有限，具体的安装调试不做细致说明
二、系统仿真
1.当θ=0时，系统控制系统框图为
仿真得到的各个波形
单位阶跃输入信号偏差信号
数字调节器输出波形输出信号波形
分析：
示波器Scope3显示的是单位阶跃的输入信号波形，示波器Scope2显示的是误差信号e（t）的波形，示波器Scope显示的是数字调节器的输出信号波形，示波器Scope1显示的是系统输出波形Y（t）。
从e（t）的波形图中我们可以看出误差信号刚开始会比较大，但是很快就下降到零。
由此说明最小拍无波纹设计的数字控制器对误差具有良好的消除作用。
数字调节器输出的控制信号稳定，系统输出跟随输入，由此可见系统性能比较好。
2.当θ=0.4095时，系统控制系统框图为
仿真得到的各个波形
单位阶跃输入信号偏差信号
数字调节器输出波形输出信号波形
分析：
示波器Scope3显示的是单位阶跃的输入信号波形，示波器Scope1显示的是误差信号e（t）的波形，示波器Scope2显示的是数字调节器的输出信号波形，示波器Scope显示的是系统输出波形Y（t）。
从e（t）的波形图中我们可以看出误差信号刚开始会比较大，但是很快就下降到零。
由此说明达林算法设计的数字控制器对误差具有良好的消除作用。
数字调节器输出的控制信号稳定，无振铃现象，系统输出跟随输入，由此可见系统性能比较好。
三、抗干扰性能分析
1.当θ=0时的抗干扰性能分析
A、干扰为阶跃信号的抗干扰性能分析结构图为
抗干扰性能分析结构图（干扰为阶跃信号）
设置constant输入为0，在0.5s时施加幅值0.3的阶跃干扰，得到如下的仿真波形：
constant输入信号数字调节器输出信号阶跃干扰信号
偏差信号输出信号
由上图可得，当在被控对象之前加一定的阶跃干扰信号之后，系统受到阶跃信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，恢复原来的状态。
如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为0，系统输出与输入信号相等，可知系统对于阶跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。
B、干扰为脉冲信号的抗干扰性能分析结构图为
抗干扰性能分析结构图（干扰为脉冲信号）
设置constant输入为0，在1s时施加幅值0.5的脉冲干扰，其中Step与Step1是用来产生幅值为0.5的脉冲干扰，得到如下的仿真波形：
constant输入信号数字调节器输出信号脉冲干扰信号
偏差信号输出信号
由上图可得，当在被控对象之前加一定的脉冲干扰信号之后，系统受到脉冲信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，恢复原来的状态。
如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为0，系统输出与输入信号相等，可知系统对于脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。
2.当θ=0.4095时的抗干扰性能分析
A、干扰为阶跃信号的抗干扰性能分析结构图为
抗干扰性能分析结构图（干扰为阶跃信号）
设置Step输入为0，在2s时施加幅值0.5的阶跃干扰，得到如下的仿真波形
S
升级会员 