計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)――大純時(shí)延一階慣性環(huán)節(jié)溫度控制系統(tǒng).

1、一課程設(shè)計(jì)內(nèi)容任務(wù)，,31 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 2二對(duì)課設(shè)任務(wù)的解讀，,3門門門門門門，w三系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖,3門門門門門門，w四各部分程序流程圖，,4J J J J J J J J J J J J J*五數(shù)字控制器設(shè)計(jì),5門門門門門 w/、系統(tǒng)仿, 6七抗干擾性分析11八硬件設(shè)計(jì)13九系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件元素選型,14十心得體會(huì)16十一參考文獻(xiàn)16，門門門門門，門門門門，門門 1附硬件設(shè)計(jì)圖一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容任務(wù)1、 針對(duì)一個(gè)具有大純時(shí)延時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)(G(s=K*e- 9 s/(Ts+溫度控制 系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標(biāo),(工程要求相角裕度為3060，幅值裕度6dB;要求測(cè)

2、量 范圍-50C 200C,測(cè)量精度0.5%,分辨率02C ;2、 書面設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；3、 選擇一種控制算法并借助軟件工程知識(shí)編寫程序流程圖；4、用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證K=10*log(C*C- sqrt(C,rand( state ' ,C,T=ran或1T/2, 03=0學(xué)號(hào)的后 3 位數(shù), 如:C=325, K=115.7, T=0.9824,或=0.4912;5、進(jìn)行可靠性和抗干擾性的分析；6書寫設(shè)計(jì)體會(huì)和心得。二、對(duì)課設(shè)任務(wù)的理解和分析1、 該任務(wù)是針對(duì)一個(gè)特定的控制對(duì)象進(jìn)行可靠性和穩(wěn)定性控制，選取實(shí)際

3、生活 中常見(jiàn)的溫度為控制對(duì)象；2、 該任務(wù)只需要一個(gè)控制對(duì)象，進(jìn)行可靠性和抗干擾性分析時(shí)設(shè)定隨機(jī)干擾量, 觀察仿真圖形和性能，故可以選取簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)；3、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程采取分步設(shè)計(jì)，由局部到整體，主要有溫度檢測(cè)模塊、輸入通道 部分、輸出通道部分、接口擴(kuò)展部分、晶振和復(fù)位電路模塊、調(diào)壓觸發(fā)電路、數(shù) 碼管顯示等；4、取B = T/2大純時(shí)延系統(tǒng)的控制算法有多種，根據(jù)其特定性能，本設(shè) 計(jì)在PID算法和達(dá)林算法之間權(quán)衡之后做出選擇，最終采用達(dá)林控制算法 來(lái)實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)控制，取期望閉環(huán)傳遞函數(shù)H(s,求解出數(shù)字控制器D(z及其差分方程；5、編寫程序流程圖，采取正確的思路和方法,包括主程序流程

4、圖、8155初始 化、濾波、鍵盤輸入、達(dá)林算法、延時(shí)等；6仿真分析和驗(yàn)證過(guò)程采用 MATLAB和SIMULINK實(shí)現(xiàn),主要針對(duì)仿真性能 調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，并結(jié)合典型輸入信號(hào)的隨機(jī)干擾進(jìn)行可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾性分 析。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其輸入為溫度設(shè)定值，輸出為調(diào)節(jié)控制信 號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)由以下圖所示各部分組成1、如下圖所示為簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖，由輸入設(shè)定值與系統(tǒng)輸出值 的偏差傳遞到數(shù)字控制器，并產(chǎn)生控制信號(hào)，針對(duì)本設(shè)計(jì)所假定的特定控制對(duì)象溫度 進(jìn)行循環(huán)重復(fù)式的校正和調(diào)節(jié)。2、如下圖所示為本設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 （簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，主

5、要由模擬輸入通道和模擬輸出通道組成，通過(guò)該回路對(duì)控制對(duì)象不 斷的調(diào)整，指導(dǎo)滿足系統(tǒng)要求及各項(xiàng)性能指標(biāo)。四、各部分程序流程圖由于要使用計(jì)算機(jī)作為控制設(shè)備，要對(duì)溫控對(duì)象實(shí)現(xiàn)較好的控制，使其滿足較好 的性能指標(biāo)，故本設(shè)計(jì)采取程序主要包括如下部分：主程序T1中斷程序采樣中斷程序達(dá)林算法程序等各程序流程如下圖所示1、主程序主程序主要是對(duì)電路進(jìn)行初始化，并且開(kāi)相關(guān)的中斷，使到設(shè)備對(duì)溫度進(jìn)行采 樣、控3、 達(dá)林算法控制程序 計(jì)算數(shù)字控制器的控制信號(hào)，每次讀取e (k ,然后計(jì)算出 參數(shù),輸出控制序列u (k ,然后變換e (k -1、e (k -2 , u (k -1 , u (k -2 ,為下一次計(jì)算作準(zhǔn)

6、備。達(dá)林算法程序流程圖：4、采樣程序用于對(duì)溫度進(jìn)行采樣，對(duì)采樣溫度值的處理用了連續(xù) N次,再取平均的方法得 到最后的平均 采樣溫度值。在開(kāi)始時(shí),對(duì)采樣設(shè)備進(jìn)行初始化，設(shè)定采樣次數(shù)以及 計(jì)算次數(shù),然后結(jié)束后,計(jì)算出平均值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸送給處理器。采樣程序流程圖五、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)(取9 = T/2本人學(xué)號(hào)200xxxxx 232,所以C =232對(duì)于系統(tǒng)sT根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用matlab計(jì)算出系統(tǒng)參數(shù)，確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Ke s G st ? +=? -1 (0式中:T 時(shí)間常數(shù)K 調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大倍數(shù)t 系統(tǒng)的純滯后時(shí)間，且Ts N t ?=, Ts為采樣周期。計(jì)算用程序：>>

7、 k=10*log(232*232-sqrt(232k =108.9319>> ran d('state',232;>> t1=ra nd(1t1 =0.00909 =t1/2=0.0045代入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：10090. 09319. 108 (0045. 0+=-s e s G s其波特圖為:O-1440-sesoBode Diagram302010o O由圖可知，其幅值裕度與相角裕度均不符合要求，系統(tǒng)性能差，需要校正。按照設(shè) 計(jì)要求,運(yùn)用計(jì)算機(jī)作為控制裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。當(dāng)對(duì)象的純延遲時(shí)間B與對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)Tm之比大于等于0.5時(shí)，采用常

8、規(guī) PID算法難于獲得良好的系統(tǒng)性性能。達(dá)林算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制 器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且它得純時(shí)延時(shí)間與被控對(duì)象時(shí)延 相同。跟史密斯對(duì)比起來(lái)，達(dá)林算法比較適合的被控對(duì)象多 為工業(yè)中的熱工或化工過(guò)程中，被控對(duì)象具有純滯后環(huán)節(jié)且容易引起系統(tǒng)超調(diào)和持 續(xù)的振蕩。綜合考慮之后，決定采用達(dá)林 算法來(lái)進(jìn)行數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)。由達(dá)林算法知：被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié):01( 1ske G s s -=G+ t假設(shè)其期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(1e H s s -=+,其中s LT 9 =, s為采樣周期 丄為整數(shù)。由此可得到:111 1(011( (

9、 (-+- =z Kz s G s G Z z G L h ，1(11( 1(1( ( 1(1111+=L z z K z z D co其中r：V11( 23tt =; 1/1; s T Ts e e -=。 ttoo確定參數(shù)值過(guò)程：K=k =108.9319t 1 =0.00909 =t1/2=0.0045t =(1/21/3 t 仁0.002Ts= 9 /L=0.0090/2=0.00225o =eTS/t =e -1.125 =0.3247o 1= eTS/t1=e -0.25 =0.7788137788. 0110. 24 (-=z Z z G3116753. 03247. 01021

10、8. 00280. 0 (=z z z z D所以由(D z表達(dá)式可以求出其差分方程為：(1 (1 (1 (2 u k Ae k Be k Cu k C u k =-+-+-；其中：11(1A k 升矛=0.0280 1B Ac =0.0218C c =0.32471- C=0.6753由此求得本系統(tǒng)其差分方程為：u(k= 0.0280e(k -0.0218e (k -1+0.3247u (k -1 +0.6753u(k -2六、系統(tǒng)仿真1.2 0.810361對(duì)設(shè)計(jì)后連續(xù)系統(tǒng)3136753. 03247. 016753. 0 (* ( (-=zz z z D z G z D k進(jìn)行分析30&

11、#39;Bode Diagram2OOo O1 SI -皿 口=七 LlmE 忑8由上圖可知，幅值裕度為9.44db （大于6db的要求，相角裕度為68度（大于60度 的要求，故設(shè)計(jì)符合規(guī)定。2離散系統(tǒng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：通過(guò)示波器觀察波形系統(tǒng)的波形 穩(wěn)態(tài)誤差e (t波形:數(shù)字調(diào)節(jié)器波形0 012e-0,00734Z'11-0 e95z'10-5105z-2系統(tǒng)輸出y (t波形0.0120-0 00764z1分析:系統(tǒng)到一定時(shí)間后穩(wěn)態(tài)誤差為0,數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)輸出與輸入相匹配，由此可得系統(tǒng)性能良好。七、抗干擾性分析1、當(dāng)干擾信號(hào)為介躍信號(hào)（此時(shí)輸入為0,干擾信

12、號(hào)大小為10穩(wěn)態(tài)誤差波形：系統(tǒng)輸出波形200300400500600210Time offset30040050060026S10700o分析:由圖可得，當(dāng)加一定的介躍干擾信號(hào)后，系統(tǒng)受到介躍信號(hào)的干擾，但到一定的時(shí)間后,由于系統(tǒng)具有抗干擾的功能，會(huì)自動(dòng)消除干擾所帶來(lái)的影響，恢復(fù)到回來(lái)的 狀態(tài),如圖所示，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差到一定時(shí)間后為0 ,系統(tǒng)輸出跟輸入信號(hào)相匹配，故系 統(tǒng)對(duì)于為介躍信號(hào)的干擾有較好的抗干擾作用。2、干擾信號(hào)為脈沖信號(hào)（輸入信號(hào)為0干擾信號(hào)波形穩(wěn)態(tài)誤差波形系統(tǒng)輸出波形分析:由圖可得，當(dāng)加一定的介躍干擾信號(hào)后，系統(tǒng)受到脈沖信號(hào)的干擾，但到一 定的時(shí)間后,由于系統(tǒng)具有抗干擾的功能，會(huì)自

13、動(dòng)消除干擾所帶來(lái)的影響，恢復(fù)到回來(lái)的 狀態(tài),如圖所示，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差到一定時(shí)間后為0 ,系統(tǒng)輸出跟輸入信號(hào)相匹配，故系 統(tǒng)對(duì)于為脈沖信號(hào)的干擾有較好的抗干擾作用。3系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)情況模擬仿真：保持系統(tǒng)不變，分別在兩個(gè)時(shí)段不同位置上加兩個(gè)介躍信號(hào)，如下圖所示：1、 在輸入處,加入一個(gè)r (t -10=100的介躍信號(hào)(即當(dāng)t>=10s時(shí)，r(t=100,當(dāng)t<10s時(shí)，r (t =0 ,用來(lái)模擬在現(xiàn)實(shí)情況下，某一隨機(jī)時(shí)刻，需要在控制過(guò)程中 改 變系統(tǒng)溫度時(shí)，所需要的改變輸入信號(hào)。2、 在控制過(guò)程處，加入一個(gè)r (t -20=10的介躍信號(hào)(即當(dāng)t>=20s時(shí)，r (t =10;當(dāng)t&l

14、t;20s時(shí)，r (t =0，用來(lái)模擬在現(xiàn)實(shí)情況下，某一隨機(jī)時(shí)刻，有干擾信號(hào)參入的 系 統(tǒng)中。下圖將仿真結(jié)果列出：穩(wěn)態(tài)誤差e (t波形數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形400系統(tǒng)輸出波形分析:當(dāng)系統(tǒng)輸入突加給定時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差發(fā)生變化，數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)變化產(chǎn)生控制信號(hào)，使系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號(hào)的變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)又到系統(tǒng)受到干擾時(shí)，數(shù)字 調(diào)節(jié)器再次根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差產(chǎn)生控制信號(hào)，消除干擾的影響，使到系統(tǒng)回復(fù)到穩(wěn)定狀 態(tài)。說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能以及抗干擾性能。八、硬件設(shè)計(jì)1、復(fù)位和晶振電路：其中VCC為5V ,晶振頻率為12MHzD1的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 VCC+0.5V左右,另一作 用是系

15、統(tǒng)斷電時(shí)，將R0電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù) 位。當(dāng)80C52在工作時(shí)，按下S0開(kāi)關(guān)時(shí),復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)80C52芯片復(fù)位。2、單片機(jī)接口擴(kuò)展電路通過(guò)80C52的P20 P21、P22產(chǎn)生片選信號(hào)，通過(guò)74LS138的譯碼電路進(jìn)行譯碼分別對(duì)3片8155進(jìn)行片選。3、模擬輸入通道：信號(hào)輸入過(guò)程為：溫度檢測(cè)濾波整形放大轉(zhuǎn)換8155CPU通過(guò)溫度檢測(cè)電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流、電壓信號(hào)，再通過(guò)濾波整形及放大電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)8155的PC 口控制A/D轉(zhuǎn)換器的選通、采樣、轉(zhuǎn)換、 讀入,在同個(gè)采樣周期重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，并取平均值作為該采樣周期的值，再與給 定

16、信號(hào)比較，通過(guò)CPU的計(jì)算得出控制值，再通過(guò)模出通道對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。1溫度檢測(cè)及整形濾波放大電路如上圖中所示，檢測(cè)部分采用 橋式壓差檢測(cè)電路，經(jīng)過(guò)低通有源濾波放大電路 得到ADC0809的模擬輸入電壓（0-5V之間信號(hào),并將信號(hào)傳送給AD0809IN0 口。2其余部分連接電路：a如上圖中所示，左側(cè)為8155芯片,右側(cè)為ADC0809，溫度檢測(cè)及濾波整形放大電路得到的模擬輸入信號(hào)由IN-0輸入ADC0809,再通過(guò)8155傳送給80C52.4、模擬輸出通道：輸出信號(hào)傳遞過(guò)程：并行接口 8155D/A轉(zhuǎn)換加熱電壓調(diào)節(jié)線路 加熱電壓從CPU輸出計(jì)算好的數(shù)字信號(hào)的控制量到模出通道的8155的A 口連接

17、的D/A,再由C 口控制D/A的讀入、轉(zhuǎn)換,D/A輸出的控制兩用作同步脈沖線路的給 定量,通過(guò)單相交流 可控硅電壓調(diào)壓線路調(diào)節(jié)加熱電壓線路。再通過(guò)檢測(cè)電路把調(diào) 節(jié)結(jié)果反饋回去，周而復(fù)始，最終使控制對(duì)象溫度穩(wěn)定控制在150°C。1 DAC0832輸出信號(hào)電路:如上圖中所示,DAC0832輸出為雙極性輸出電路,Uout作為調(diào)壓電路晶閘管的 觸發(fā)電路的給定電壓。2加熱電壓電路：如上圖所示：主電路采用兩只單向晶閘管反并聯(lián)的形式，在交流電壓的正半周期 使其中一只晶閘管導(dǎo)通，在負(fù)半周期使另一只晶閘管導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)為驅(qū)動(dòng)電路部分的 總開(kāi)關(guān)，左邊的燈用于指示開(kāi)關(guān)是否接通，右邊的燈用于指示負(fù)載上是不是有電

18、壓，控 制電路通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管的通斷來(lái)控制加在負(fù)載上的電壓大小。九、系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件元素選型1、主控制芯片80C52： 80C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，采用INTEL主控制芯片80C52：公司可靠的 CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn) 品。它結(jié)合了 HMOS的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn) 的MCS-51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于 80C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了 時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場(chǎng)合。 80C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

19、 RAM、8k片內(nèi)程序存儲(chǔ) 器（ROM）32個(gè)雙向輸入/輸出（I/O 口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié) 構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電 路。此外，80C52還可工作于低功 耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。2、譯碼片選芯片74LS138:它是一個(gè)3-8譯碼器，3-8譯碼器是通過(guò)3條線來(lái)達(dá)到控制8譯碼片選芯片74LS138:條線的狀態(tài)， 就是通過(guò)3條控制線不同的高低電平組合,一共可以組合出8種狀態(tài)，即2的3次 方。在電路中，主要起到擴(kuò)展1

20、0資源的作用。3、接口擴(kuò)展芯片815 5: In tel 8155 芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)RAM, 2個(gè)8位、1個(gè)6位的接口擴(kuò)展芯片8155:可編 程并行I/O 口和1個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155可直接與MCS 51單片機(jī)連接不 需要增加任何硬件邏輯。由于8155既有RAM又具有I/O 口，因而是MCS 51單片機(jī)系統(tǒng)中 最常用的外圍接口芯片之一 ,8155內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)8位并行輸入/ 輸出端口，一個(gè)6位并行輸入/輸出端口，256個(gè)字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM，一個(gè)地址鎖存器，一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及控制邏輯電路，各部件 和存儲(chǔ)器地址的選擇由IO/M信號(hào)決定。4、ADC080

21、9 : ADC0809是CMOS單片 型逐次逼近式A/ D轉(zhuǎn)換器，可以和微機(jī)直接接口，由八 ADC0809: ADC0809路 模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹(shù)狀開(kāi)關(guān)、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。5、DAC0832: DAC0832由美國(guó)國(guó)民半導(dǎo)體公司(National Semiconductor Corporation)研 DAC0832: DAC0832 制 的8位芯片，DAC0832由“ 位輸入寄存器”“位 DAC寄存器”和“ 位 DAC轉(zhuǎn)換 電、路”三部分電路組成。 &鉑電阻溫度傳感器Pt100:鉑電阻溫度傳感器 PT100,電阻溫度系數(shù)為3.9 W 3/C,鉑電阻溫度傳感器Pt100: 0C時(shí)電阻值 為100Q,電阻變化率為0.3851 QQ。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性 好，應(yīng)用 溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200C650E)最常用的一種溫度檢測(cè)器，對(duì)于本 設(shè) 計(jì)要檢測(cè)的-50C200E剛好合適，而且其本身廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成 各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。7、其他例如導(dǎo)線、電阻、電感、電容、二極管、三極管等元器 件。-16-十、心得體會(huì) 課程設(shè)計(jì)之前，通過(guò)以前各門專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，我已經(jīng)掌握了 計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)控制、 單片機(jī)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)等知識(shí)，對(duì)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)有了一定的初