计算机控制技术课程设计-具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级:姓名：学号：指导老师:日期：TOC\o"1-5"\h\z—、设计任务11.1题目11.2内容与要求1二、设计思想与方案22.1控制策略的选择2\o"CurrentDocument"2.2硬件设计思路与方案2\o"CurrentDocument"2.3软件设计思路与方案3三、硬件电路设计3\o"CurrentDocument"3.1温度传感器输出端与ADC的连接33.2ADC与单片机8051的连接4\o"CurrentDocument"3.3单片机8051与DAC的连接43.4整机电路5四、系统框图7五、程序流程图85.1主程序流程图85.2子程序流程图9六、数字调节器的求解116.1基本参数的计算11七、系统的仿真与分析13\o"CurrentDocument"0=0时系统的仿真与分析13\o"CurrentDocument"0=0时系统的可靠性与抗干扰性分析140=0.4461时系统的仿真与分析160=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析17\o"CurrentDocument"八、设计总结与心得体会20\o"CurrentDocument"参考资料21、设计任务一、题目设计针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节KeFTs+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°C〜200°C，测量精度0.5%，分辨率0.2°C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具体要求：◊温度传感器、执行机构的选型◊微型计算机的选型（MCS51、AVR等等）◊温度传感器和单片机的接口电路◊其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）◊利用Protel绘制原理图，制作PCB电路板（给出PCB图）软件部分：◊选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图◊写出主要的单片机程序用MATLAB和SIMULINK进行仿真分析和验证对象确定：K=10*log（C*C-sqrt（C））,rand（‘state’,C）,T=rand（1）考虑。=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。C为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，0=0或0.4912具体要求：◊分析控制器能否使系统满足给定性能指标（相角裕度为30°〜60°，幅值裕度>6dB）◊画出相应的曲线图并标注关键参数◊画出阶跃响应曲线和脉冲响应曲线进行可靠性和抗干扰性的分析二、内容与要求：知识准备。基本要求：◊掌握系统分析和设计的基本要求和特点；◊系统设计的一般步骤和要点；◊控制对象及其分析；◊方案设计和结构图处理；◊控制任务的分解和模块设计；◊精度设计（变送器的选择，字长的确定，说明书），可靠性、抗干扰设计自己查找资料和进行书面设计，期间进行普遍性和特殊性辅导基本要求：传感器资料；信号归一化资料和低通滤波器资料；现代功率电子技术（变流技术）资料；某一控制机的内存空间和端口空间分配资料计算机控制系统应用例资料。实验内容和要求：学习查找书面设计相关的资料并进行仿真。作业要求：按格式和设计内容要求书写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得，二、设计思想与方案2.1控制策略的选择对于一个计算机控制系统而言，其设计方法有两种：一种是模拟化设计方法，另一种是数字化设计方法。模拟化设计方法沿用连续控制系统的设计方法，按系统性能指标求得控制系统的校正网络或模拟调节器，然后选择适当的采样频率对其进行离散化而得出由计算机实现的数字调节规律。在模拟化设计方法中，PID算法是一种非常重要和常用的设计方法，其算法简单易行，常常能满足一般问题的求解，但对于大滞后系统而言，却无能为力。史密斯预估补偿算法通过预估补偿器的补偿控制，在一定程度上可解决控制滞后所带来的问题，但其对干扰抵制的效果并不理想，且对过程模型的误差十分敏感，其物理模型的精度较难保证。直接数字设计法是在已知控制过程或广义对象离散模型的条件下，根据给定系统期望闭环脉冲传递函数或某一优化目标函数出发，直接利用Z变换理论综合设计满足性能指标的数字调节器。在解决大滞后的问题上，直接数字设计法最常用的一种方法是达林算法。达林算法不但可以解决大滞后问题，而且可大小减小系统过程中的超调量，还可消除振铃现象。综上所述，可以采用达林算法对此大滞后控制系统进行控制。2.2硬件设计思路与方案实现达林算法的控制，就是采取计算机控制系统对温度控制系统进行控制。在此，计算机可米用单片机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，要解决的问题是芯片的物理地址。这就须要采用地址锁存器74373及译码器74138。通过译码进行片选，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。根据题目要求，温度测量范围为-50〃C~20Q，C，分辨率为0.2〃C，则测量是量程为200oC-(-50OC)=25QC，再由2〃>癸呸=1250，可得n>10.29。可取n=12，0.2oC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,其分辨率为气普任0.0&E"C，满足设计要求。2.3软件设计思路与方案软件设计是计算机控制系统中最为重要的一部分，其设计的好坏直接关系到整个系统的性能。如果软件设计得不好，则会导致系统达不到所要求的性能指标，甚至使整个系统因不能正常运行而造成生产事故。思路如下：首先，单片机要对整个系统进行采样，这里就涉及采样时间的问题，而采样时间可由8051内部定时器来实现。当A/D转换器转换完毕后，可通过标志位对8051的外部中断INT0或1NT1提出中断请求，在中断子程序里8051CPU运用达林算法对经A/D转换后的数据进行处理。处理完毕后，选通D/A转换器，把数字量转化为模拟量再对温度调节器进行控制。三、硬件电路设计3.1温度传感器输出端与ADC的连接由以上分析可知，本设计需要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3.2单片机8051与ADC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：

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：户三三三3■3Q1o15-3plP1P1P1POPOPOPOPO+PO5POi；POTirfjjvpmnIZ；EIMo15-3JT5-b7P2P2P2P2P2P2P2P2户三三三3■3Q1o15-3plP1P1P1POPOPOPOPO+PO5POi；POTirfjjvpmnIZ；EIMo15-3JT5-b7P2P2P2P2P2P2P2P2AJLff.-PP15PitP17P1+DTIOTOIIMP；EtTU1寿12li19TiF:'>17+L；13SAECG1ABG2咬Cj：ElBiIE2IBLfbIfrnJlDIODllD?X：12vkF3.4整机电路综合上述，可得计算机控制系统整机电路如下图所示:

图四整机电路四、系统框图结合整机电路图，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，T为采样周期，D(z)为数字调节器，气(s)为采样保持器，G(s)为广义对象。(a)(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。五、程序流程图5.1主程序流程图

主程序图六主程序流程图5.2子程序流程图(a)T"断子程序(b(a)T"断子程序(b)INT1中断子程(c)A/D转换子程序(d)D/A转换子程序六、数字调节器的求解6.1基本参数的计算由题目要求，对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’，C),T=rand(1)，其中C为学号后3位数，考虑。=0和T/2两种情况。对于本人来说，C=427，则K=10*log(178*178-sqrt(178))=121.1345rand(‘state’，C),T=rand(1)=0.8923s从而可考虑。=0和。=T/2=0.4461两种情况。当广义对象带有时延环节时，采样周期与时延时间之比宜取1:1或1:2，由。=0.4461，可取采样周期r=0.4461so要运用达林算法求取数字调节器D(z)，还必须知道系统的期望闭环传递函e-Qs数H(z)。为此，我们不妨设H(z)=£—。其中e与上意义相同，为对象的滞

Ts+1后时间，T为系统的期望闭环时间常数。6.2数字调节器D(z)的实现被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节:ke-QsG0(s)=假设其期望的闭环传递函数为：H(s被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节:ke-QsG0(s)=假设其期望的闭环传递函数为：H(s)=e-QsTs+1其中Q=LT，T为采样周期，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"

取：K=121.1345；「0.8923；t=0./0.6*0.9096=0.5354©=0.4461,L=1；Ts=0.4461s通过计算可以得到：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取：K=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宠-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)表达式可以求出其差分方程为: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。由此求得本系统其差分方程为：u(k)-0.0119e(k)-0.0072e(k—1)+0.4346u(k-1)+0.5654u(k-2)七、系统的仿真与分析7.10=0时系统的仿真与分析当e=0时，系统的仿真框图如下所示:

图八e=0时的系统仿真框图在阶跃输入下，其仿真波形如下所示：(a)系统阶跃输出响应(b)数字调节器输出波形图九阶跃输入下。=0(a)系统阶跃输出响应(b)数字调节器输出波形由上波形图可知，系统是稳定的，且具有较好的性能。为进一步确定系统是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，还需看系统响应的伯德图。根据e=0时G,(z)二的表达式，可得系统的伯德图如下所示：k

System:sysFraquarwyfrad/sec):9.06PheseCdegV-110ISystem-gFrequencySystem:sysFraquarwyfrad/sec):9.06PheseCdegV-110ISystem-gFrequency(radftec):41.7M^gratLide・1Q31O&1O1Freguancy(rad/?ec)由上伯德图可知，系统的相角裕度为，(-110°)-(-180°)=70°幅值裕度为10.3dB，满足相角裕度为30~60°，幅值裕度6dB的设计要求。7.20=0时系统的可靠性与抗干扰性分析当e=0时，为验证系统的可靠性与抗十扰性能，可在对象传递函数前加入一个单位阶跃扰动，所得系统仿真框图如下所示：图十一e图十一e=0时单位阶跃十扰下的系统仿真框图仿真结果如下所示:(b)控制信号(d)输出信号图十二e=0时单位阶跃干扰下的仿真结果由上的仿真结果可知，对于阶跃干扰信号来说，系统有较好的抗干扰性能，在外部干扰作用后较短的时间内，系统能够恢复到初始状态（正常运行状态）。综合上述分析可知，当0=0时，不管是从系统的稳定性还是抗干扰性来进行分析，系统都具有较好的性能。也就是说，由达林算法设计出的本系统具体较好的静态特性和动态特性。系统的性能较好，可靠性较高。7.30=0.4461时系统的仿真与分析当0=0.4461时，系统的仿真框图如下所示:图十三0=0.4461时的系统框图在阶跃输入下，其仿真结果如下所示：

(a)系统阶跃输出响应(b)数字调节器输出波形图十四阶跃输入下0=0.4461时的仿真结果由上波形图可知系统是稳定的，且具有较好的动态性能。为进一步确定系统

是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，还需看系统响应的伯德图。根据。=0.4461时系统的开环传递函数可得系统的伯德图下图所示:图十五0=0.4461时系统的伯德图由上伯德图可知，系统的相角裕度为(-110°)-(-180°)=70°，幅值裕度为8dB，满足相角裕度为30~60°，幅值裕度6dB的设计要求。7.4e=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析当0=0.4461时，为验证系统的可靠性与抗干扰性能，可使图十三中在对象传递函数前加入一个单位阶跃扰动，所得系统仿真框图如图十六所示。

图十六6=0.4461时单位阶跃干扰下的系统仿真框图仿真结果如下所示:(b)控制信号(d)输出信号图十七0=0.4461时单位阶跃干扰下的仿真结果由上的仿真结果可知，对于阶跃干扰信号来说，系统有较好的抗干扰性能。综合上述分析可知，当0=0.4461时，不管是从系统的稳定性还是抗干扰性来进行分析，系统都具有较好的性