(完整word版)计算机控制技术课程设计..

1、计算机控制课程设计学 院自动化科学与工程学生姓名学生学号班级 提交日期2013 年9月5日指导老师一）课程设计任务题目及要求二）课程设计任务对象与论证三）控制器的计算、选择以及系统仿真四）硬件电路的设计 五）系统框图 六）程序流程图 七）参考文献八）心得体会 课程设计任务题目及要求总体：设计一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节的计算机控制系 统，字数不少于3000字具体内容：1) 自己给出系统的闭环传递函数的表达式2) 自己设定系统性能指标3) 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图4) 硬件布线连接图转化为系统结构图5) 选择一种控制算法6) 软件工程知识编写程序流程图7) 在MATLAB

2、下进行编程和仿真，给出单位阶跃函数的输出结果表8) 进行系统的可靠性和抗干扰性的分析要求：1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节G(s)KeTs 1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 C200C，测量精度0.5 %，分辨率0.2 C2、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G(s)

3、KeTs 1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。让纯时延为T/2，被控对象传递函数为:G(s)120e0.0062 s0.0124s 1需要对这一传递函数进行分析，添加适当的控制器，以满足 设计要求，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

4、统软件、应用程序、待扩充;丄I/O分配：模拟/开关量I/O、待扩充；模拟量I/O通道的配置；J中断、查询处理方式的确定；即组构计控系统原理描述图，包括信号流程图系统控制工艺流程图（接合控制对象的工艺流程）厂线路方案1F1r口地址分配开关量、模拟量I/O画应用程序流程图V滤波环节通道设计1信号标准化内存参数区控制量输出算法步骤广给定量方式采样信号j-技术指标负载考虑如 MOS、元器件芯片选择和测试TTL器件逻辑电平、I/O电流、输入/输出能力，以及缓冲器的选择编制源程序、调试和仿真NY达到预期目的?布线和安装写 EPPROM机箱设计、布线走向调试硬件电路板设计系统试运行Y硬件有错?端接板配置Y完

5、成控制目的?投入运行三、控制器的计算，选择，和系统的仿真120e0.0062 s1、当传递函数为用MATLAB绘出其波特图：程序为：nu m=120;den=0.0124 1;g=tf( nu m,de n,'iodelay',0.0062); margi n( g);grid on;0.0124s 1 时，波特图为:Ji le Edi t Vi es- insert Tools Desktop irtdaw Help心®連就* a | smsepn-u 胃zBede Cis gram0.276 d0 測9rad.'sec). Phi = -1Q des ra

6、t 9 53e*Q03 rad；secflo山聞EUd102F req Liency ir-a d/sec：由上图可知，幅值裕度为-0.276dB<6dB,相角裕度为-107deg,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，需要进行设计。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：

7、 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。Dal in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。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

8、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Dal in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Dal in算法来实现对系统 的控制。3.控制器设计当传递函数为G（s）120e 0.0062s0.0124s 1 时，由于控制对象的纯时延特性常导致控制系统

9、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Tm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：)120e 0.0062sS 0.0124s 1其中，=0.0062,1 = 0.0124, K=120。由达林算法，取得系统期望闭环传递函数为:0.0062 sH(s)0.0124s 1式中， =0.0124，大于!，贝卩RA< 0,无振铃现象由于=LXT,取 L = 2,可得 T = /2= 0.0031s=e T/ = 0.7788,1 = e T/ 1 = 0.7788由以上数据

10、可得系统期望闭环脉冲传递函数为：H (z)= ZGh(s)H(s) = zl(1 )z11z30.2212z10.7788z 1被控对象的广义脉冲传递函数为:G (z)= ZGh(s)G°(s) = Kz(L 1)111z12030.2212z1 0.7788z1326.554Z1 0.7788z1数字控制器的控制规律为:H(z)z(L 1(1G(z)1H(z)G(z)10.00833 0.00649Z 11 0.7788z 1 0.2212z 3系统开环脉冲传递函数为:0.00846 0.00659z 1Gk=D(z)G(z) = 10.7788z 10.2212z3326.161

11、0z 31 0.7788z 130.2212Z10.7788z 10.2212z 3加上比例的控制器:0.008460.00659 z 13D(z)= 10.7788 z10.2212 z0.01318 z 11310.7788 z 0.2212 z0.0169230.2212zG(k)= 1 0.7788z 10.2212Z330.4424z131 0.7788z0.2212z由以上结果，通过 MATLAB仿真结果如下:输入程序:Ts=0.0031dnu m二0,0,0,0.2212dde n二1,-0.7788,0,-0.2212Zk=tf(d nu m,dde n,Ts)margi n(

12、 Zk)输出结果：Ts =0.0031dnum =0 0 0 0.2212dde n =1.0000 -0.77880 -0.2212Tran sfer function:0.2212zA3 - 0.7788 zA2 - 0.2212Sampli ng time: 0.0031Bode DiagramJBOT6dn«.kn9aM20100-10-200-180-360-540-i ft IhLL-_F4- Il F L H1LLLV li £ ASystem: ZkFrequency (rad/sec): 241Magnitude (dB): -12.2IIrrrr (S*

13、 r r rIT补rr*r £* .r r1i!*Err r t rGm = 12.2 dB (at 242 rad/sec) , P m = 71.9 deg (at 49.9 rad/sec)peerih li |toSystem: Zk p I- > * 1kITFrequency (rad/sec): 51Phase (deg): -109r r r r Frrrrr B* r r 1i!rr- r E .ri23101010410Frequency (rad/sec)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71deg, 可见该系统并

14、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Ko = 2之后，MATLAB仿真程序以及结果如下：输入程序：Ts=0.0031dn um=0,0,0,0.4424dde n=1,-0.8032,0,-0.1968Zk=tf(d num,dde n, Ts)margi n(Zk)输出结果：Ts =0.0031dnum =0000.3982dden =1.0000 -0.80320 -0.1968Tran sfer fun cti on:0.3982zA3 - 0.8032 zA2 - 0.1968Sampli ng time: 0.0031Bode Diag

15、ramGm = 6.82 dB (at 238 rad/sec) , P m = 55 deg (at 94.6 rad/sec)cud pn coo MIQeace sanp3020100-10-200-180-360-540System: ZkFrequency (rad/sec): 242Magnitude (dB): -6.95*'W T| jIITSystem. Zk-Frequency (rad/sec): 96.6 Phase (deg): -126r£rr r r r rfrr r F' irStep2123410 10 10 10Frequency

16、(rad/sec)由上图可知，系统的幅值裕度为6.9dB，相角裕度为54deg。可见，加入了一个 2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：StepScope31-0.7788z +-0.2212z0.00846-0.00659z-1-3Discrete FilterGainZero-OrderHold118.26870.0124s+1Transfer Fcn TransportDelayScope2ScopeStep1Scope1通过SIMULINK仿真的结果如下: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

17、，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。四、硬件电路设计1.硬件设计思路与方案实现达林算法的控制，无疑是采取计算机控制系统对温度控制系统进行控 制。在此，计算机可采用单片机 8051。要对温度进行控制，首先要采用温度传感器对温度进行检测。由于传感器的 输出信号较为微弱，故必须经放大后才能输入A/D转换单元。通过A/D转换,将放大后的模拟信号转化为数字信号后输入8051单片机，在单片机内部进行比较处理和达林算法运算后把结

18、果送D/A转换单元。经D/A转换后，经过驱动使温度调节器进行相应的动作，从而达到及时控制温度的目的。在A/D转换器或D/A转换器与8051的连接时，有一个问题是芯片的物理地 址。这就需要采用地址锁存器 74373及译码器74138。通过译码进行片选，便可 知各芯片的物理地址。另外，A/D转换器与D/A转换器还涉及一个位数与转换精度的问题。根据题250oC212目要求，温度测量范围为50°C200°C，分辨率为0.2°C，则测量是量程为200oC° 1(50oC) 250°C，再由 2n°1250，可得 n 10.29。可取 n 12，

19、0.2°C即采用12位的ADC和12位的DAC。当采用12位ADC进行模/数转换时，其分辨率为0.06oC，远远满足设计要求。2.温度传感器输出端与ADC的连接由上分析可知，本设计需要采用12位的A/D转换器，可采用AD574A芯片 进行模/数转换。由于温度传感器的输出电压较小，电压值通常为毫安级，故必 须经放大后才能输入模/数转换器ADC，运算放大器选择LM139。为了提高温度传感器的灵敏度，可将温度传感器接入平衡电桥中，经差动放 大后再输入到AD574A的10VIN输入端。温度传感器输出端与ADC的连接如图一所示：图一温度传感器输出端与AD574A的连接3. ADC与单片机805

20、1的连接8051 的 P0 口作为 AD574A 的地址线，P0 口和 P2.0 P2.1、P2.2、P2.3 口作为数据线，用于接收获取AD574A的转换结果。P0 口经地址锁存器74373锁存, 并经三-八译码器74138译码后的Y1信号作为AD574A的片选信号输入AD574A与8051的连接图如下所示:A0CSCEREFIN RDDB0REFOUTDB1DB2P1.1P1.2BIPOFF DB3P1.3DB4P1.4VinDB5P1.510VIN DB6P1.6DB7P1.7DB8P2.0DB9P2.1WRP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.774138STS

21、 DB10P2.2DB11P2.3ALED0Q0D1Q1 .D2Q2 .D3Q3 .D4Q4D5Q5D6TQ6 .D7Q7G174373202B183C'16151411|-1913OE1OE2AOE2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y715F'FP2.4P2.5AD574Aj INT1P2.6EAP2.7 r-8051图二 AD574A与8051的连接图4. 单片机8051与DAC的连接由上分析，本设计需要采用12位的A/D转换器，与之相对应，可采用12 位的D/A转换器DAC1208芯片进行模/数转换。8051 的 P0 口作为 DAC1208 的地址线，P0 口和 P2.4

22、、P2.5、P2.6、P2.7 口 作为数据线，用于传送经达林算法后的运算结果。 P0 口经地址锁存器74373锁 存，并经三-八译码器74138译码后的Y0信号作为DAC1208的片选信号输入。8051与DAC1208的连接图如下所示：a RDP1.0WRP1.1L P1.2PO.OP1.3P0.1.P1.4P0.2P1.5P0.3.P1.6P0.4P1.7P0.5_ P2.0P0.6P2.1P0.7 P2.2p P2.3ALEP2.4sL INT1P2.5P2.6EAP2.780515.整机电路A K743737413820亠D0Q0A19,D1Q1B18-D2Q2CY0D3Q317J F

23、Y1 D4Q4166OE1Y2r54'T D5Q5OE2AY3.D6Q6_rO_T5OE2BY4D7Q73J_0Y5Y6GEI''Y715T3TTXFER -WR1CSDI6DI7DI2DI3DI0DI1DI4DI5图三 8051与DAC1208的连接图综合上述，可得计算机控制系统整机电路如下图所示:DI8DI9D10DI11RfbIout1Iout2OAWR2BYTE2DAC1208Vout(a)传感器信号放大输出Vinoo2A|E C BDDDDBDDDDDD54320iniY|Y5 |4 |30QQQQeTOQQ1|EABC O |O O MBBBBBBBBuPP

24、PPPPPPPPPPlN |Ass hdd67JBNV n-5!-ADD-aeD-AKD五、系统框图结合整体电路图，易得本计算机控制系统的框图如下图（a）所示。图（b）是其 等效系统模型，Ts为采样周期，D（z）为数字调节器，Gh（s）为采样保持器，G（s）为 广义对象。(a)Is（b）图五大滞后温度控制系统结构图图中，由单片机、模/数转换器AD574A和数/模转换器DAC1208组成计算 机系统。温度传感器的输出信号（经放大电路放大后）作为计算机系统的输入信 号，经模/数转换后与计算机内部的温度数字量进行比较，从而得出偏差信号， 偏差信号再经过单片机8051CPU进行达林算法处理后将运算结果

25、送往数/模转换 器，将转换结果送给温度调节器，使之产生相应的动作，从而达到控制被控对象 温度的目的。六、程序流程图6.1主程序流程图主程序图六主程序流程图6.2子程序流程图INT 1中断子程序(a)(b)1r启动AD574Ar读模拟输俞入量A/D转换子程序D/A转换子程序返回(c)(d)图七子程序流程图七、参考文献华南理工大学出版社华南理工大学华南理工大学出版社豆丁网、百度文库相关资料 计算机控制技术计算机系列课程实验指导 «自动控制原理黄道平温钢云曾琪琳梁佑彬高国燊余文烋彭康拥单片机原理及应用实验指导书，史步海等编著，华南理工大学教材供应中心单片机原理及其接口技术，胡汉才编著，清华大学出版社MATLAB与控制系统的数字仿真及 CAD，黄道平编著，化学工业出版社八、心得体会我觉得课程设计是一个很好地检测我们的学完一门课程的实践活动，每完 成一次课程设计，我都对相应的课程有更加深刻的理解，并且自己的动手能力、 实践能力都得到一定的提升。这次的计算机控制技术课程设计也一样，经过这次 的实践，我体会良多！这次的计控课程设计时间不多，老师的面对面指导也不多，因为时间较紧