计算机控制课程设计――大纯时延一阶惯性环节温度控制系统.

1、一课程设计内容任务，,31 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 2二对课设任务的解读，,3门门门门门门，w三系统结构模型框图,3门门门门门门，w四各部分程序流程图，,4J J J J J J J J J J J J J*五数字控制器设计,5门门门门门 w/、系统仿, 6七抗干扰性分析11八硬件设计13九系统设计硬件元素选型,14十心得体会16十一参考文献16，门门门门门，门门门门，门门 1附硬件设计图一、课程设计内容任务1、 针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(G(s=K*e- 9 s/(Ts+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3060，幅值裕度6dB;要求测

2、量 范围-50C 200C,测量精度0.5%,分辨率02C ;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K=10*log(C*C- sqrt(C,rand( state ' ,C,T=ran或1T/2, 03=0学号的后 3 位数, 如:C=325, K=115.7, T=0.9824,或=0.4912;5、进行可靠性和抗干扰性的分析；6书写设计体会和心得。二、对课设任务的理解和分析1、 该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制，选取实际

3、生活 中常见的温度为控制对象；2、 该任务只需要一个控制对象，进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量, 观察仿真图形和性能，故可以选取简单回路控制系统模型进行设计；3、硬件设计过程采取分步设计，由局部到整体，主要有温度检测模块、输入通道 部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数 码管显示等；4、取B = T/2大纯时延系统的控制算法有多种，根据其特定性能，本设 计在PID算法和达林算法之间权衡之后做出选择，最终采用达林控制算法 来实现 系统控制，取期望闭环传递函数H(s,求解出数字控制器D(z及其差分方程；5、编写程序流程图，采取正确的思路和方法,包括主程序流程

4、图、8155初始 化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等；6仿真分析和验证过程采用 MATLAB和SIMULINK实现,主要针对仿真性能 调节系统参数，并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分 析。三、系统结构模型本系统采用简单回路计算机控制系统，其输入为温度设定值，输出为调节控制信 号，整个系统由以下图所示各部分组成1、如下图所示为简单回路计算机控制系统框图，由输入设定值与系统输出值 的偏差传递到数字控制器，并产生控制信号，针对本设计所假定的特定控制对象温度 进行循环重复式的校正和调节。2、如下图所示为本设计计算机控制系统的硬件结构框图 （简单回路计算机控制 系统的结构图，主

5、要由模拟输入通道和模拟输出通道组成，通过该回路对控制对象不 断的调整，指导满足系统要求及各项性能指标。四、各部分程序流程图由于要使用计算机作为控制设备，要对温控对象实现较好的控制，使其满足较好 的性能指标，故本设计采取程序主要包括如下部分：主程序T1中断程序采样中断程序达林算法程序等各程序流程如下图所示1、主程序主程序主要是对电路进行初始化，并且开相关的中断，使到设备对温度进行采 样、控3、 达林算法控制程序 计算数字控制器的控制信号，每次读取e (k ,然后计算出 参数,输出控制序列u (k ,然后变换e (k -1、e (k -2 , u (k -1 , u (k -2 ,为下一次计算作准

6、备。达林算法程序流程图：4、采样程序用于对温度进行采样，对采样温度值的处理用了连续 N次,再取平均的方法得 到最后的平均 采样温度值。在开始时,对采样设备进行初始化，设定采样次数以及 计算次数,然后结束后,计算出平均值，进行A/D转换，并输送给处理器。采样程序流程图五、数字控制器设计(取9 = T/2本人学号200xxxxx 232,所以C =232对于系统sT根据设计要求，用matlab计算出系统参数，确定系统的传递函数Ke s G st ? +=? -1 (0式中:T 时间常数K 调节系统总的放大倍数t 系统的纯滞后时间，且Ts N t ?=, Ts为采样周期。计算用程序：>>

7、 k=10*log(232*232-sqrt(232k =108.9319>> ran d('state',232;>> t1=ra nd(1t1 =0.00909 =t1/2=0.0045代入数据，系统的传递函数为：10090. 09319. 108 (0045. 0+=-s e s G s其波特图为:O-1440-sesoBode Diagram302010o O由图可知，其幅值裕度与相角裕度均不符合要求，系统性能差，需要校正。按照设 计要求,运用计算机作为控制装置对系统进行校正。当对象的纯延迟时间B与对象惯性时间常数Tm之比大于等于0.5时，采用常

8、规 PID算法难于获得良好的系统性性能。达林算法的目标是设计一个合适的数字控制 器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有滞后的一阶惯性环节，且它得纯时延时间与被控对象时延 相同。跟史密斯对比起来，达林算法比较适合的被控对象多 为工业中的热工或化工过程中，被控对象具有纯滞后环节且容易引起系统超调和持 续的振荡。综合考虑之后，决定采用达林 算法来进行数字控制器的设计。由达林算法知：被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节:01( 1ske G s s -=G+ t假设其期望的闭环传递函数为：(1e H s s -=+,其中s LT 9 =, s为采样周期 丄为整数。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确定参数值过程：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表达式可以求出其差分方程为：(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由此求得本系统其差分方程为：u(k= 0.0280e(k -0.0218e (k -1+0.3247u (k -1 +0.6753u(k -2六、系统仿真1.2 0.810361对设计后连续系统3136753. 03247. 016753. 0 (* ( (-=zz z z D z G z D k进行分析30&

11、#39;Bode Diagram2OOo O1 SI -皿 口=七 LlmE 忑8由上图可知，幅值裕度为9.44db （大于6db的要求，相角裕度为68度（大于60度 的要求，故设计符合规定。2离散系统仿真系统结构图如下：通过示波器观察波形系统的波形 稳态误差e (t波形:数字调节器波形0 012e-0,00734Z'11-0 e95z'10-5105z-2系统输出y (t波形0.0120-0 00764z1分析:系统到一定时间后稳态误差为0,数字调节器输出的控制信号稳定，系统输出与输入相匹配，由此可得系统性能良好。七、抗干扰性分析1、当干扰信号为介跃信号（此时输入为0,干扰信

12、号大小为10稳态误差波形：系统输出波形200300400500600210Time offset30040050060026S10700o分析:由图可得，当加一定的介跃干扰信号后，系统受到介跃信号的干扰，但到一定的时间后,由于系统具有抗干扰的功能，会自动消除干扰所带来的影响，恢复到回来的 状态,如图所示，系统稳态误差到一定时间后为0 ,系统输出跟输入信号相匹配，故系 统对于为介跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。2、干扰信号为脉冲信号（输入信号为0干扰信号波形稳态误差波形系统输出波形分析:由图可得，当加一定的介跃干扰信号后，系统受到脉冲信号的干扰，但到一 定的时间后,由于系统具有抗干扰的功能，会自

13、动消除干扰所带来的影响，恢复到回来的 状态,如图所示，系统稳态误差到一定时间后为0 ,系统输出跟输入信号相匹配，故系 统对于为脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。3系统现实情况模拟仿真：保持系统不变，分别在两个时段不同位置上加两个介跃信号，如下图所示：1、 在输入处,加入一个r (t -10=100的介跃信号(即当t>=10s时，r(t=100,当t<10s时，r (t =0 ,用来模拟在现实情况下，某一随机时刻，需要在控制过程中 改 变系统温度时，所需要的改变输入信号。2、 在控制过程处，加入一个r (t -20=10的介跃信号(即当t>=20s时，r (t =10;当t&l

14、t;20s时，r (t =0，用来模拟在现实情况下，某一随机时刻，有干扰信号参入的 系 统中。下图将仿真结果列出：稳态误差e (t波形数字调节器输出波形400系统输出波形分析:当系统输入突加给定时，稳态误差发生变化，数字调节器根据变化产生控制信号，使系统输出跟随输入信号的变化，达到稳定状态。当又到系统受到干扰时，数字 调节器再次根据稳态误差产生控制信号，消除干扰的影响，使到系统回复到稳定状 态。说明系统具有良好的调节性能以及抗干扰性能。八、硬件设计1、复位和晶振电路：其中VCC为5V ,晶振频率为12MHzD1的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在 VCC+0.5V左右,另一作 用是系

15、统断电时，将R0电阻短路，让C3快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复 位。当80C52在工作时，按下S0开关时,复位脚变成低电平，触发80C52芯片复位。2、单片机接口扩展电路通过80C52的P20 P21、P22产生片选信号，通过74LS138的译码电路进行译码分别对3片8155进行片选。3、模拟输入通道：信号输入过程为：温度检测滤波整形放大转换8155CPU通过温度检测电路将温度信号转换成电流、电压信号，再通过滤波整形及放大电路输入到A/D转换器中，通过8155的PC 口控制A/D转换器的选通、采样、转换、 读入,在同个采样周期重复进行上述过程，并取平均值作为该采样周期的值，再与给 定

16、信号比较，通过CPU的计算得出控制值，再通过模出通道对对象进行控制。1温度检测及整形滤波放大电路如上图中所示，检测部分采用 桥式压差检测电路，经过低通有源滤波放大电路 得到ADC0809的模拟输入电压（0-5V之间信号,并将信号传送给AD0809IN0 口。2其余部分连接电路：a如上图中所示，左侧为8155芯片,右侧为ADC0809，温度检测及滤波整形放大电路得到的模拟输入信号由IN-0输入ADC0809,再通过8155传送给80C52.4、模拟输出通道：输出信号传递过程：并行接口 8155D/A转换加热电压调节线路 加热电压从CPU输出计算好的数字信号的控制量到模出通道的8155的A 口连接

17、的D/A,再由C 口控制D/A的读入、转换,D/A输出的控制两用作同步脉冲线路的给 定量,通过单相交流 可控硅电压调压线路调节加热电压线路。再通过检测电路把调 节结果反馈回去，周而复始，最终使控制对象温度稳定控制在150°C。1 DAC0832输出信号电路:如上图中所示,DAC0832输出为双极性输出电路,Uout作为调压电路晶闸管的 触发电路的给定电压。2加热电压电路：如上图所示：主电路采用两只单向晶闸管反并联的形式，在交流电压的正半周期 使其中一只晶闸管导通，在负半周期使另一只晶闸管导通。开关为驱动电路部分的 总开关，左边的灯用于指示开关是否接通，右边的灯用于指示负载上是不是有电

18、压，控 制电路通过控制反并联晶闸管的通断来控制加在负载上的电压大小。九、系统设计硬件元素选型1、主控制芯片80C52： 80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，采用INTEL主控制芯片80C52：公司可靠的 CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产 品。它结合了 HMOS的高速和高密度技术及 CHMOS的低功耗特征，它基于标准 的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于 80C51增强型单片机版本，集成了 时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。 80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器

19、 RAM、8k片内程序存储 器（ROM）32个双向输入/输出（I/O 口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结 构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电 路。此外，80C52还可工作于低功 耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。2、译码片选芯片74LS138:它是一个3-8译码器，3-8译码器是通过3条线来达到控制8译码片选芯片74LS138:条线的状态， 就是通过3条控制线不同的高低电平组合,一共可以组合出8种状态，即2的3次 方。在电路中，主要起到扩展1

20、0资源的作用。3、接口扩展芯片815 5: In tel 8155 芯片内包含有256个字节RAM, 2个8位、1个6位的接口扩展芯片8155:可编 程并行I/O 口和1个14位定时器/计数器。8155可直接与MCS 51单片机连接不 需要增加任何硬件逻辑。由于8155既有RAM又具有I/O 口，因而是MCS 51单片机系统中 最常用的外围接口芯片之一 ,8155内部结构包括两个8位并行输入/ 输出端口，一个6位并行输入/输出端口，256个字节的静态随机存取存储器 RAM，一个地址锁存器，一个14位的定时器/计数器以及控制逻辑电路，各部件 和存储器地址的选择由IO/M信号决定。4、ADC080

21、9 : ADC0809是CMOS单片 型逐次逼近式A/ D转换器，可以和微机直接接口，由八 ADC0809: ADC0809路 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。5、DAC0832: DAC0832由美国国民半导体公司(National Semiconductor Corporation)研 DAC0832: DAC0832 制 的8位芯片，DAC0832由“ 位输入寄存器”“位 DAC寄存器”和“ 位 DAC转换 电、路”三部分电路组成。 &铂电阻温度传感器Pt100:铂电阻温度传感器 PT100,电阻温度系数为3.9 W 3/C,铂电阻温度传感器Pt100: 0C时电阻值 为100Q,电阻变化率为0.3851 QQ。铂电阻温度传感器精度高，稳定性 好，应用 温度范围广，是中低温区(-200C650E)最常用的一种温度检测器，对于本 设 计要检测的-50C200E刚好合适，而且其本身广泛应用于工业测温，而且被制成 各种标准温度计。7、其他例如导线、电阻、电感、电容、二极管、三极管等元器 件。-16-十、心得体会 课程设计之前，通过以前各门专业课程的学习，我已经掌握了 计算机控制、自动控制、 单片机、检测技术、电力电子技术等知识，对控制系统 设计有了一定的初