計算機控制技術(shù)課程設(shè)計-具有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計具有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計班級:姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師:日期：TOC\o"1-5"\h\z—、設(shè)計任務(wù)11.1題目11.2內(nèi)容與要求1二、設(shè)計思想與方案22.1控制策略的選擇2\o"CurrentDocument"2.2硬件設(shè)計思路與方案2\o"CurrentDocument"2.3軟件設(shè)計思路與方案3三、硬件電路設(shè)計3\o"CurrentDocument"3.1溫度傳感器輸出端與ADC的連接33.2ADC與單片機8051的連接4\o"CurrentDocument"3.3單片機8051與DAC的連接43.4整機電路5四、系統(tǒng)框圖7五、程序流程圖85.1主程序流程圖85.2子程序流程圖9六、數(shù)字調(diào)節(jié)器的求解116.1基本參數(shù)的計算11七、系統(tǒng)的仿真與分析13\o"CurrentDocument"0=0時系統(tǒng)的仿真與分析13\o"CurrentDocument"0=0時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析140=0.4461時系統(tǒng)的仿真與分析160=0.4461時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析17\o"CurrentDocument"八、設(shè)計總結(jié)與心得體會20\o"CurrentDocument"參考資料21、設(shè)計任務(wù)一、題目設(shè)計針對一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)KeFTs+1的溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)：?工程要求相角裕度為30°?60°,幅值裕度>6dB?要求測量范圍-50°C?200°C，測量精度0.5%，分辨率0.2°C書面設(shè)計一個計算機控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖具體要求：?溫度傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的選型?微型計算機的選型（MCS51、AVR等等）?溫度傳感器和單片機的接口電路?其它擴展接口電路（主要是輸入輸出通道）?利用Protel繪制原理圖，制作PCB電路板（給出PCB圖）軟件部分：?選擇一種控制算法（最少拍無波紋或Dalin算法）設(shè)計出控制器（被控對象由第4步中的參數(shù)確定），給出控制量的迭代算法，并借助軟件工程知識編寫程序流程圖?寫出主要的單片機程序用MATLAB和SIMULINK進行仿真分析和驗證對象確定：K=10*log（C*C-sqrt（C））,rand（‘state’,C）,T=rand（1）考慮。=0或T/2兩種情況，即有延時和延時半個采樣周期的情況。C為學(xué)號的后3位數(shù)，如C=325，K=115.7，T=0.9824，0=0或0.4912具體要求：?分析控制器能否使系統(tǒng)滿足給定性能指標(biāo)（相角裕度為30°?60°，幅值裕度>6dB）?畫出相應(yīng)的曲線圖并標(biāo)注關(guān)鍵參數(shù)?畫出階躍響應(yīng)曲線和脈沖響應(yīng)曲線進行可靠性和抗干擾性的分析二、內(nèi)容與要求：知識準(zhǔn)備?；疽螅?掌握系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本要求和特點；?系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟和要點；?控制對象及其分析；?方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)圖處理；?控制任務(wù)的分解和模塊設(shè)計；?精度設(shè)計（變送器的選擇，字長的確定，說明書），可靠性、抗干擾設(shè)計自己查找資料和進行書面設(shè)計，期間進行普遍性和特殊性輔導(dǎo)基本要求：傳感器資料；信號歸一化資料和低通濾波器資料；現(xiàn)代功率電子技術(shù)（變流技術(shù)）資料；某一控制機的內(nèi)存空間和端口空間分配資料計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用例資料。實驗內(nèi)容和要求：學(xué)習(xí)查找書面設(shè)計相關(guān)的資料并進行仿真。作業(yè)要求：按格式和設(shè)計內(nèi)容要求書寫《計算機控制技術(shù)課程設(shè)計》和課程設(shè)計心得，二、設(shè)計思想與方案2.1控制策略的選擇對于一個計算機控制系統(tǒng)而言，其設(shè)計方法有兩種：一種是模擬化設(shè)計方法，另一種是數(shù)字化設(shè)計方法。模擬化設(shè)計方法沿用連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，按系統(tǒng)性能指標(biāo)求得控制系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)或模擬調(diào)節(jié)器，然后選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率對其進行離散化而得出由計算機實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律。在模擬化設(shè)計方法中，PID算法是一種非常重要和常用的設(shè)計方法，其算法簡單易行，常常能滿足一般問題的求解，但對于大滯后系統(tǒng)而言，卻無能為力。史密斯預(yù)估補償算法通過預(yù)估補償器的補償控制，在一定程度上可解決控制滯后所帶來的問題，但其對干擾抵制的效果并不理想，且對過程模型的誤差十分敏感，其物理模型的精度較難保證。直接數(shù)字設(shè)計法是在已知控制過程或廣義對象離散模型的條件下，根據(jù)給定系統(tǒng)期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或某一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)出發(fā)，直接利用Z變換理論綜合設(shè)計滿足性能指標(biāo)的數(shù)字調(diào)節(jié)器。在解決大滯后的問題上，直接數(shù)字設(shè)計法最常用的一種方法是達林算法。達林算法不但可以解決大滯后問題，而且可大小減小系統(tǒng)過程中的超調(diào)量，還可消除振鈴現(xiàn)象。綜上所述，可以采用達林算法對此大滯后控制系統(tǒng)進行控制。2.2硬件設(shè)計思路與方案實現(xiàn)達林算法的控制，就是采取計算機控制系統(tǒng)對溫度控制系統(tǒng)進行控制。在此，計算機可米用單片機8051。要對溫度進行控制，首先要采用溫度傳感器對溫度進行檢測。由于傳感器的輸出信號較為微弱，故必須經(jīng)放大后才能輸入A/D轉(zhuǎn)換單元。通過A/D轉(zhuǎn)換，將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸入8051單片機，在單片機內(nèi)部進行比較處理和達林算法運算后把結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換單元。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過驅(qū)動使溫度調(diào)節(jié)器進行相應(yīng)的動作，從而達到及時控制溫度的目的。在A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與8051的連接時，要解決的問題是芯片的物理地址。這就須要采用地址鎖存器74373及譯碼器74138。通過譯碼進行片選，可知各芯片的物理地址。另外，A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器還涉及一個位數(shù)與轉(zhuǎn)換精度的問題。根據(jù)題目要求，溫度測量范圍為-50〃C~20Q，C，分辨率為0.2〃C，則測量是量程為200oC-(-50OC)=25QC，再由2〃>癸呸=1250，可得n>10.29?？扇=12，0.2oC即采用12位的ADC和12位的DAC。當(dāng)采用12位ADC進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時,其分辨率為氣普任0.0&E"C，滿足設(shè)計要求。2.3軟件設(shè)計思路與方案軟件設(shè)計是計算機控制系統(tǒng)中最為重要的一部分，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。如果軟件設(shè)計得不好，則會導(dǎo)致系統(tǒng)達不到所要求的性能指標(biāo)，甚至使整個系統(tǒng)因不能正常運行而造成生產(chǎn)事故。思路如下：首先，單片機要對整個系統(tǒng)進行采樣，這里就涉及采樣時間的問題，而采樣時間可由8051內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢后，可通過標(biāo)志位對8051的外部中斷INT0或1NT1提出中斷請求，在中斷子程序里8051CPU運用達林算法對經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理。處理完畢后，選通D/A轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量再對溫度調(diào)節(jié)器進行控制。三、硬件電路設(shè)計3.1溫度傳感器輸出端與ADC的連接由以上分析可知，本設(shè)計需要12位的A/D轉(zhuǎn)換器，可采用AD574A芯片進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于溫度傳感器的輸出電壓較小，電壓值通常為毫安級，故必須經(jīng)放大后才能輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，運算放大器選擇LM139。為了提高溫度傳感器的靈敏度，可將溫度傳感器接入平衡電橋中，經(jīng)差動放大后再輸入到AD574A的10VIN輸入端。溫度傳感器輸出端與ADC的連接如圖一所示：圖一溫度傳感器輸出端與AD574A的連接3.2單片機8051與ADC的連接8051的P0口作為AD574A的地址線，P0口和P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作為數(shù)據(jù)線，用于接收獲取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的Y1信號作為AD574A的片選信號輸入。AD574A與8051的連接圖如下所示：

作為數(shù)據(jù)線，用于傳送經(jīng)達林算法后的運算結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的Y0信號作為DAC1208的片選信號輸入。8051與DAC1208的連接圖如下所示：戶三三三3■3Q1o15-3plP1P1P1POPOPOPOPO+PO5POi；POTirfjjvpmnIZ；EIMo15-3JT5-b7P2P2P2P2P2P2P2P2戶三三三3■3Q1o15-3plP1P1P1POPOPOPOPO+PO5POi；POTirfjjvpmnIZ；EIMo15-3JT5-b7P2P2P2P2P2P2P2P2AJLff.-PP15PitP17P1+DTIOTOIIMP；EtTU1壽12li19TiF:'>17+L；13SAECG1ABG2咬Cj：ElBiIE2IBLfbIfrnJlDIODllD?X：12vkF3.4整機電路綜合上述，可得計算機控制系統(tǒng)整機電路如下圖所示:

圖四整機電路四、系統(tǒng)框圖結(jié)合整機電路圖，易得本計算機控制系統(tǒng)的框圖如下圖(a)所示。圖(b)是其等效系統(tǒng)模型，T為采樣周期，D(z)為數(shù)字調(diào)節(jié)器，氣(s)為采樣保持器，G(s)為廣義對象。(a)(b)圖五大滯后溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，由單片機、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC1208組成計算機系統(tǒng)。溫度傳感器的輸出信號（經(jīng)放大電路放大后）作為計算機系統(tǒng)的輸入信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后與計算機內(nèi)部的溫度數(shù)字量進行比較，從而得出偏差信號，偏差信號再經(jīng)過單片機8051CPU進行達林算法處理后將運算結(jié)果送往數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給溫度調(diào)節(jié)器，使之產(chǎn)生相應(yīng)的動作，從而達到控制被控對象溫度的目的。五、程序流程圖5.1主程序流程圖

主程序圖六主程序流程圖5.2子程序流程圖(a)T"斷子程序(b(a)T"斷子程序(b)INT1中斷子程(c)A/D轉(zhuǎn)換子程序(d)D/A轉(zhuǎn)換子程序六、數(shù)字調(diào)節(jié)器的求解6.1基本參數(shù)的計算由題目要求，對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’，C),T=rand(1)，其中C為學(xué)號后3位數(shù)，考慮。=0和T/2兩種情況。對于本人來說，C=427，則K=10*log(178*178-sqrt(178))=121.1345rand(‘state’，C),T=rand(1)=0.8923s從而可考慮。=0和。=T/2=0.4461兩種情況。當(dāng)廣義對象帶有時延環(huán)節(jié)時，采樣周期與時延時間之比宜取1:1或1:2，由。=0.4461，可取采樣周期r=0.4461so要運用達林算法求取數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，還必須知道系統(tǒng)的期望閉環(huán)傳遞函e-Qs數(shù)H(z)。為此，我們不妨設(shè)H(z)=￡—。其中e與上意義相同，為對象的滯

Ts+1后時間，T為系統(tǒng)的期望閉環(huán)時間常數(shù)。6.2數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)的實現(xiàn)被控對象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié):ke-QsG0(s)=假設(shè)其期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：H(s被控對象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié):ke-QsG0(s)=假設(shè)其期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：H(s)=e-QsTs+1其中Q=LT，T為采樣周期，1-bG(z)=Z[Gh(s)G0(s)]=Kz-(l+1)]二1]，1zD(z)=(1-b)(1-b1z-1)K(1-b1)[1-bz-1-(1-b)z-(l+1)]，、b=e-Ts代；b=efi"

?。篕=121.1345；「0.8923；t=0./0.6*0.9096=0.5354?=0.4461,L=1；Ts=0.4461s通過計算可以得到：二=三_:=0.4346,'''=0.6065Z-L(1—b)Z-1_z-L(1—b)z-1_z-2(1-0.4346)0.5654z-2?。篕=121.1345；「0.8923；t=0./0.6*0.9096=0.5354(Z)—=1-bZ-11-bz-11-0.4346z-11-0.4346z-1G(z)=K-(L+1#F?E^^=^f1D(Z)=(1-B(1-*z-1)K(1-*)(1-bZ-1-(1-b)Z-(l+1))0.5654(1-0.606寵-i)121.1345(l-0.6065)(l-0.4346z-1-(l-0.4346)z-2)0.0119-0.0072Z1

1—0.4346/—0.5654/由D(z)表達式可以求出其差分方程為:u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Cu(k-1)+(1-C)u(k-2)；1-b其中：A=&1)；B=Ab；C=b。由此求得本系統(tǒng)其差分方程為：u(k)-0.0119e(k)-0.0072e(k—1)+0.4346u(k-1)+0.5654u(k-2)七、系統(tǒng)的仿真與分析7.10=0時系統(tǒng)的仿真與分析當(dāng)e=0時，系統(tǒng)的仿真框圖如下所示:

圖八e=0時的系統(tǒng)仿真框圖在階躍輸入下，其仿真波形如下所示：(a)系統(tǒng)階躍輸出響應(yīng)(b)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形圖九階躍輸入下。=0(a)系統(tǒng)階躍輸出響應(yīng)(b)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形由上波形圖可知，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有較好的性能。為進一步確定系統(tǒng)是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，還需看系統(tǒng)響應(yīng)的伯德圖。根據(jù)e=0時G,(z)二的表達式，可得系統(tǒng)的伯德圖如下所示：k

System:sysFraquarwyfrad/sec):9.06PheseCdegV-110ISystem-gFrequencySystem:sysFraquarwyfrad/sec):9.06PheseCdegV-110ISystem-gFrequency(radftec):41.7M^gratLide?1Q31O&1O1Freguancy(rad/?ec)由上伯德圖可知，系統(tǒng)的相角裕度為，(-110°)-(-180°)=70°幅值裕度為10.3dB，滿足相角裕度為30~60°，幅值裕度6dB的設(shè)計要求。7.20=0時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析當(dāng)e=0時，為驗證系統(tǒng)的可靠性與抗十?dāng)_性能，可在對象傳遞函數(shù)前加入一個單位階躍擾動，所得系統(tǒng)仿真框圖如下所示：圖十一e圖十一e=0時單位階躍十?dāng)_下的系統(tǒng)仿真框圖仿真結(jié)果如下所示:(b)控制信號(d)輸出信號圖十二e=0時單位階躍干擾下的仿真結(jié)果由上的仿真結(jié)果可知，對于階躍干擾信號來說，系統(tǒng)有較好的抗干擾性能，在外部干擾作用后較短的時間內(nèi)，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)（正常運行狀態(tài)）。綜合上述分析可知，當(dāng)0=0時，不管是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是抗干擾性來進行分析，系統(tǒng)都具有較好的性能。也就是說，由達林算法設(shè)計出的本系統(tǒng)具體較好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。系統(tǒng)的性能較好，可靠性較高。7.30=0.4461時系統(tǒng)的仿真與分析當(dāng)0=0.4461時，系統(tǒng)的仿真框圖如下所示:圖十三0=0.4461時的系統(tǒng)框圖在階躍輸入下，其仿真結(jié)果如下所示：

(a)系統(tǒng)階躍輸出響應(yīng)(b)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形圖十四階躍輸入下0=0.4461時的仿真結(jié)果由上波形圖可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有較好的動態(tài)性能。為進一步確定系統(tǒng)

是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，還需看系統(tǒng)響應(yīng)的伯德圖。根據(jù)。=0.4461時系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可得系統(tǒng)的伯德圖下圖所示:圖十五0=0.4461時系統(tǒng)的伯德圖由上伯德圖可知，系統(tǒng)的相角裕度為(-110°)-(-180°)=70°，幅值裕度為8dB，滿足相角裕度為30~60°，幅值裕度6dB的設(shè)計要求。7.4e=0.4461時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析當(dāng)0=0.4461時，為驗證系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性能，可使圖十三中在對象傳遞函數(shù)前加入一個單位階躍擾動，所得系統(tǒng)仿真框圖如圖十六所示。

圖十六6=0.4461時單位階躍干擾下的系統(tǒng)仿真框圖仿真結(jié)果如下所示:(b)控制信號(d)輸出信號圖十七0=0.4461時單位階躍干擾下的仿真結(jié)果由上的仿真結(jié)果可知，對于階躍干擾信號來說，系統(tǒng)有較好的抗干擾性能。綜合上述分析可知，當(dāng)0=0.4461時，不管是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是抗干擾性來進行分析，系統(tǒng)都具有較好的性