电桥计算机控制课程设计正文

1、 基于simulink仿真的计算机水温控制系统指导老师： 邢航老师 年级专业 10自动化4班 姓名学号 沈泽棍201030460423刘文杰201030460420谭开扬2010304604242013 年 12 月 06 日题目及要求设计题目：基于simulink仿真的计算机温度控制系统设计内容：假设被控温度对象为1/(2s+1)，选择Pt100热电阻测温，A/D转换器为8位，设定温度200C，设计最少拍无纹波控制器设计要求：1、分别在8位和16位cpu下选择不同的采样周期1s,20s,60s观察其性能；2、自行选择热电阻电桥参数；目 录1仿真系统描述12仿真系统各模块设计12.1热电偶桥式

2、电路模块12.1.1热电阻桥式测温电路12.1.2Pt100铂热电阻测温特性12.1.3铂热电阻电桥测温电路仿真模块的设计22.2标度转换模块32.2.1标度转换原理32.2.2标度转换仿真模块的设计32.3最少拍无纹波控制器模块42.4仿真系统总图53.仿真波形及波形分析53.1仿真波形53.2波形分析94实验与调试105总结与心得10参考文献11附录121仿真系统描述本系统在simulink上进行温度控制系统的仿真，温度探测元件为热电阻，被控对象为1/(2s+1)。控制器是本小组经过计算自行设计的最少拍无纹波控制器。仿真系统总原理图如图1所示。给定温度t给定温度t采样开关最少拍无纹波控制器

3、D/A热电阻A/D图1 仿真系统总原理框图2仿真系统各模块设计2.1热电阻桥式电路模块2.1.1热电阻桥式测温电路根据题目要求，采用Pt100铂电阻测量输出温度。热电阻电桥测温电路如图2所示。电路中R=100，E=5V，。2.1.2 Pt100热电阻的测温特性Pt100铂电阻适用于-200850全部或部分范围内测温，其主要特征是测温精度高，稳定性好。根据IEC标准751-1983规定，Pt100铂热电阻的阻值与温度的关系为在-2000摄氏度内，有在0850范围内，有式中， QUOTE ； QUOTE ； QUOTE ； QUOTE （0时的电阻值）。图2 热电阻电桥测温电路 2.1.3铂热电阻

4、电桥测温电路仿真模块的设计由于仿真系统的输出是温度值，需要先将温度值先转化为铂热电阻的电阻值。其转换模块和封装图如图3所示。图3 输出温度值转化为铂热电阻值模块及其封装图铂热电阻测温电路仿真模块及其封装图如图4所示。图4 铂热电阻测温电路仿真模块及其封装图2.2标度转换模块的设计由于计算机系统不能识别模拟量，所以需要将铂热电阻电桥测温模块的输出电压 QUOTE 转换为数字量，所以需在其输出端后接一个8位的A/D转换器。2.2.1标度转换原理经过A/D转换器出来的数字量只是一段数字代码，并不是我们工程上经常用的带量纲的值（在本仿真系统中为温度t）。所以需要对数字量进行标度转换，转换成带量纲的值。

5、本仿真系统将铂热电阻的温度t与阻值R、电压U以及对应数字量的关系（见附表1）曲线进行分段线性化，将其分为0 QUOTE 5、5 QUOTE 10、10 QUOTE 15、15 QUOTE 20、20 QUOTE 25五段直线，近似求出数字量所对应的温度值。线性变换公式如下：上式中，Y表示参数测量值； QUOTE 表示参数量程最大值； QUOTE 表示参数量程最少值； QUOTE 表示 QUOTE 对应的A/D转换后的输入值； QUOTE 表示量程起点 QUOTE 对应的A/D转换的输入值；X表示测量值Y对应的A/D转换值。2.2.2标度转换仿真模块的设计0 QUOTE 5的标度转换模块如图及总

6、的转换模块封装图如图5所示。图5 0 QUOTE 5标度转换模块及总的标度转换模块封装图 2.3最少拍无纹波控制器模块最少拍无纹波控制器只能输入离散值，所以应在输入端前接采样开关对误差进行采样，但由于是仿真系统，该采样开关可以用零阶保持器代替。根据题目意思，采样周期分别为1s、20s和60s。最少拍无纹波控制器的设计如下：因为输入为阶跃信号，所以采样周期为T；当T=1s时，当T=20s时，当T=60s时，由于最少拍无纹波控制器的输出为离散值，而被控对象的输入为连续信号，所以需要在最少拍无纹波控制器的输出端后接D/A转换器进行信号重构。2.4仿真系统总图仿真系统总图如图6所示。图6 仿真系统总图

7、3仿真波形及波形分析 本仿真系统的设定温度为20。3.1仿真波形8位CPU时，采样周期为1s时的仿真波形如图7所示；采样周期为20s时的仿真波形如图8所示；采样周期为60s时的仿真波形如图9所示。16位CPU时，采样周期为1s时的仿真波形如图10所示；采样周期为20s时的仿真波形如图11所示；采样周期为60s时的仿真波形如图12所示。图7 8位CPU采样周期为1s的仿真波形图8 8位CPU采样周期为20s的仿真波形图9 8位CPU采样周期为60s的仿真波形图10 16位CPU采样周期为1s的仿真波形图11 16位CPU采样周期为20s的仿真波形图12 16位CPU采样周期为60s的仿真波形8位

8、CPU时，不同采样周期的仿真波形对比图如图13所示。16位CPU时，不同采样周期的仿真波形对比图如图14所示。图13 8位CPU不同采样周期的仿真波形对比图图14 16位CPU不同采样周期的仿真波形对比图3.2波形分析将上面8副仿真波形图进行对比。可知，本仿真系统的控制波形不会因CPU的位数不同而有差异。但将不同采样周期的仿真波形进行比较后，发现采样周期为1s的波形图，上升速度很快，很快达到了设定温度。而采样周期为20s和60s的波形图基本重叠，可知，采样周期越短，系统的控制效果越好。而采样周期到达一定长度时，控制效果的差异不明显。4实验与调试在整个仿真系统的设计中，本小组遇到的最大难题就是在

9、热电阻桥式测温电路设计这一部分。遇到的问题有两个：1.由于Pt100铂热电阻阻值并不是线性变化的，而是一个二次曲线铂热电阻在约24处也有一个极值。但还好课题要求的温度是20，因此我们选用0 QUOTE 25的量程，避免了极值的影响，并提高了系统的精度；2. 在桥式电路的电压转化中，电压公式为，但在系统调试中出现了不稳定现象。但本小组考虑到Rt最大值为104.759728（参考附表1），与R相近，因此用2R代替Rt+R。5总结与心得和之前的课程设计一样，刚开始的时候，我们组的组员都摸不着头脑。将学到的知识用到实际的系统中去，是中国绝大部分大学生都会感到头痛的问题。但经过翻查教材，上网搜集资料和班

10、里同学相互请教的过程后，我们的课程设计就慢慢有了进展，而当我在此刻写下总结与心得的时候，我们也漂亮的完成了我们的课程设计任务。我觉得，和做其他很多事情一样，课程设计也不会是一帆风顺的，我们会遇到各种不同的问题，但经过努力，问题一定会得到解决，而且这样一个不断遇到问题和解决问题的过程，会使我们的能力在不知不觉间不断的增强，我们的收获也会越来越多。而生活也同样是这种，只有不断努力地客服接踵而至的困难，我们才能更深地体验生活。参 考 文 献高金源，夏洁.计算机控制系统M.北京：清华大学出版社，2007.薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计M,北京：机械工业出版社，2009.附录附表1 Pt铂热电阻温

11、度与阻值、输出电压和A/D转换器输出数字量的关系tRt=R*(1+A*t+B*t2)Uo=(Rt-R)*E/(4*R)D(adc的值)分段线性化01000001100.3827820.00478477520.51673866192100.7495240.0093690540.17374909383101.1002260.01375282558.97103131574101.4348880.017936176.9085853765101.753510.02191887593.98641107956102.0560920.02570115110.2045086109.67102.3426340.0

12、29282925125.562878124.28102.6131360.0326642140.0615191138.89102.8675980.035844975153.7004319153.410103.106020.03882525166.479616616811103.3284020.041605025178.399073117812103.5347440.0441843189.458801318813103.7250460.046563075199.658801319814103.8993080.04874135208.999073120815104.057530.050719125217.479616621816104.1997120.0524964225.1004319223.817104.3258540.054073175231.8615191229.618104.4359560.05544945237.762878235.419104.5300180.056625225242.8045086241.220104.608040.0576005246.986411124721104.6700220.058375275250.3085853248.622