计控课设报告(共29页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上目录第一部分 设计任务一、课程设计题目及要求题目：具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计要求：1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节的温度控制系统和给定的系统性能指标：（1）工程要求相角裕度为30°60°，幅值裕度>6dB（2）要求测量范围-50200，测量精度0.5，分辨率0.22、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; 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C), rand(state,C),T=rang(1), 考虑=0或T/2两种情况。 C为学号除去最后一位的后3位数，如学号8，则C=316，K=115.7，T=0.9824，=0或0.49125、进行可靠性和抗干扰性的分析。6、时间安排：7天二、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由设计任务可知，本人的学号为0，则C=101。在MATLAB命令窗口中输入相关的命令可以得到K和T。C=101;K=10*log(C*C-sqrt(C)K = 92.2926rand('state',C)T=rand(1)T = 0.6211即是K=92.2926，T=0.6211由要求可得=0或=T/2=0.3106（1）当纯时延为0时(=0)，被控对象传递函数为：（2）当纯时延为T/2(0.3106)，被控对象传递函数为：针对以上两种情况，需要分别进行分析，以取得预期效果。2.系统设计的一般步骤和要点完成控制目的？达到预期目的？硬件有错？系统试运行布线和安装写EPPROM元器件芯片选择和测试编制源程序、调试和仿真开关量、模拟量I/O通道设计画应用程序流程图系统控制工艺流程图系统总体方案设计投入运行调试硬件控制对象的功能和工作过程的分析第二部分 设计方案一、设计方案分析论证1.控制对象特性分析（1）当=0时，使用MATLAB画出其频率特性曲线图，程序如下：num=92.2926den=0.6211 1g=tf(num,den);margin(g);grid on;得到=0时的系统波特图：从上图可以看出，系统的幅值裕度为无穷大，相角裕度为90.6，故不满足题要求。（2）当0.3106时，使用MATLAB画出其频率特性曲线图，其程序如下：num=122.0501den=0.8190 1g=tf(num,den,'iodelay',0.4095);margin(g);grid on;得到0.3106时的系统波特图：从波特图中可以看出幅值裕度为-0.111，相角裕度为-33.6。所以不满足要求。综上，分别要对0和0.3106两种情况分别进行设计。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：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。Dalin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。综合选择：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Dalin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Dalin算法来实现对系统的控制。3.控制器设计（1）当=0时，现采用最少拍无纹波设计方法设计该对象的控制器 D(Z) ，取采样周期为T=0.1T=0.06211s。设系统输入为单位阶跃输入1(t)，则系统期望闭环传递函数为：H（z）=G（z）=数字调节器控制规律D（z）为：D(z)=系统开环脉冲传递函数为：D（z）G（z）因此，对最少拍系统进行开环特性测试，MATLAB程序以及运行结果如下：>>Ts=0.1；dnum=1；dden=1,-1；Zk=tf(dnum,dden,Ts)；margin(Zk)；Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.由上图可知系统幅值裕度为6.02dB，相角裕度为60deg，符合设计要求。采用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，系统框图如下：如下为输出的结果仿真图：分析：在第一秒输入阶跃信号，从图中可以看出，在第二拍，即是2T=0.12422，时间横轴为1.12422的时候，输出跟随了输入，达到了性能设计的要求。（2）当0.3106时，由于控制对象的纯时延特性常导致控制系统的稳定性降低，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：其中，0.3106，0.6211，K=92.2926。由达林算法，取得系统期望闭环传递函数为：式中，0.6213，大于，则RA0，无振铃现象。由于L×T，取L2，可得T/20.1553s0.7788，0.7788由以上数据可得系统期望闭环脉冲传递函数为：H（z）被控对象的广义脉冲传递函数为：G（z）K=数字控制器的控制规律为：D（z）系统开环脉冲传递函数为：D(z)G(z)加上比例的控制器：D(z)=G(k)=由以上结果，通过MATLAB仿真结果如下：输入程序：Ts=0.1553；dnum=0,0,0,0.2211；dden=1,-0.7788,0,-0.2212；Zk=tf(dnum,dden,Ts)；margin(Zk)；获得的波特图如下：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71.9deg，可见该系统并不符合设计要求，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1.8之后，MATLAB仿真程序以及结果如下：输入程序：>>Ts=0.1553；dnum=0,0,0,0.3980；dden=1,-0.7788,0,-0.2212；Zk=tf(dnum,dden,Ts)；margin(Zk)；.其波特图如下：由上图可知，系统的幅值裕度为7.13dB，相角裕度为57deg。可见，加入了一个1.8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：仿真得到的示波器的图形如下：分析：示波器的图形，从上到下，分别为偏差信号，控制信号，输出信号。在t1s时对系统施加一个单位阶跃给定输入信号，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。系统有点小超调，调节过程较快，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。二、系统方框图1.控制系统结构示意图 数据控制器 零阶保持器 被控对象给定温度D(Z)TT e(t) u(k) u(t) y(t)2.硬件结构框图温度给定值A/D转换器单片机D/A转换器被控对象+-温度传感器温度输出低通滤波信号放大控制策略：温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到AVR单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号与给定值比较，差值送入单片机。单片机利用A/D转换器对差值信号进行采样，相当于将差值送入数字控制器，运用达林算法计算出控制量，再经过D/A转换输出控制量作用于被控对象。通过加热丝来控制对象温度，使其温度与设定值相同或相近。三、程序设计流程图1.主程序流程图单片机一上电，就进行初始化，清除缓冲区，置定时器初值，并且启动定时器，利用A/D转换器，定时对温度进行采样，与设定值进行比较，运用相应的算法得出控制量，在经过D/A转换器输出，对温度进行合理控制，使其与设定值相等或相近。2.温度采集流程图当AT89S52执行外部存储器写指令时，使得CE=1,CS=0,R/C=0,A0=0,启动12为转换有效。然后通过89s52通过P3.4线查询STS端口状态，当STS为0时，表明转换结束。由于AD574的12位转换速度很快，故适用与查询方式。之后89S52执行两条度外部数据存储器指令，分别读取转换结果的高八位和低四位数据。此时CE=1,CS=0,A0=0(或A0=1)。定时器0中断REIT存储转换结果于指定存储区域P3.4=0？检测P3.4，判断A/D转换是否结束选择输入通道并启动A/D 转换到达采样时间？重新置入定时器初值3.达林算法及其控制量输出流程图达林算法主要是用于对大滞后对象进行控制，使其达到预期的控制效果。将达林算法运算得出的数字控制量送到D/A转换器，进行D/A转换，输出模拟控制量施加于加热丝或其他加热器件，对温度进行调节。其流程图如下所示：4.软件实现A、当=0时采用迭代程序法：系统状态方程及输出方程如下：编程框图如下：0.0861y(z)u(z)+B、当= 0.4095时采用嵌套程序法：系统状态方程及输出方程如下：编程框图如下：00.01951z-10.7788z-10y(z)u(z)+0.2212z-1+0.00432-0.1367第三部分 电路设计一、器件选择（1）控制芯片的选择:方案一：应用ATmega16作为控制器。速度快，超功能精简指令集（RISC），内部集成了较多的中断源和定时器资源及可编程flash大，具有八路十位A/D转换通道，级联通信号好的特点。方案二：采用AT89S52作为控制器。优点：普遍使用，价格便宜；缺点：中断源和定时器资源少，可编程空间小。由于本设计对I/O口的操作比较简单，对flash要求也不高，故选用方案二AT89S52单片机做为主芯片。(2) 温度传感器的选择:方案一：采用DS18B20作温度传感器。DS18B20现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，无需外接模数转换器（AD）,DS18B20数字温度计提供12位二进制温度读数，指示器件的温度，增量值为0.0625，。测量温度范围从-55到+125，在-10到+85范围内，精度为0.5，912位分辨率可调。方案二：采用Pt1000铂电阻作测温传感器。热电偶产生的热电动势经放大器放大再经过AD转换器转换成数字信号输入到单片机。结合本设计要求，测量范围为-50200，而DS18B20直接把检测的温度输出数字量，可以省去AD转换器，但是其测温范围为55125,不满足设计要求。故我们选用方案二。（3）A/D转换器的选择根据设计要求：测量精度0.5，分辨率0.2，而其总的测量的温度范围为250摄氏度，250/0.2=1250，用十位的A/D转换器无法满足系统要求，需12位来实现系统需求，故此系统中选用AD574作为D/A转换器.AD574是快速型的12位逐次逼近式A/D转换器。它无需外接元器件就可以独立完成A/D转换的功能，转换时间为1535us,可以并行输出12位，也可以分为8位和4位两次输出。（4）D/A转换器的选择温度检测值输入单片机后经算法计算之后输出的控制量经D/A转换器转换成模拟量施加于加热器件中用于调节温度。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。其主要参数为：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，200mW。其使能端CS由单片机的P2.6控制，DAC0832的DI0DI7分别与单片机的P0.0P0.7连接，采用单缓冲输出方式，输出端再接uA741放大器输出模拟电压二、温度检测电路与整形放大滤波电路信号检测电路是温度控制系统的重要组成部分，其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。故本系统选用性能稳定的PT1000铂热电阻传感器作为测量温度信号的敏感元件。其阻值随温度的变化为：0时阻值为1 000,温度系数为384。线性度小于05。信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号,铂热电阻器Rt和精密电阻器R11、R12及R13组成测量电桥。此测量电路采用桥式电路来提高测量精度，经过运算放大器LM139将电压信号放大后输出，通过选择合适的热敏电阻或偏移处理得出相对应的电压-温度关系，即Vx=V0+m*Tx。其中，(V0为电压偏移量，m为常数，Tx的范围从-50到200)其检测电路如下所示：温度检测及低通滤波电路三、A/D转换电路该系统设计要求分辨率为0.2°C，测量范围为(-50200)°C，总的测量的温度范围为250摄氏度，250/0.2=1250，故选用12位的A/D转换器AD574。AD574为单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，外接元件少，功率低，精度高等特点，并具有自动校零和自动极性转换功能。其转换速率为25us，模拟电压输入范围为010V，020V，0 5V，0 10V。此A/D转换器转换精度为1/2 ,系统可以达到分辨率为0.06°C,满足系统需求。AD574的A0和R/C通过74LS373与单片机的P0.6与P0.7连接74LS373的1D8D分别与单片机的P0.0P0.7连接。其电路图如下所示：四、D/A转换电路温度检测值输入单片机后经算法计算之后输出的控制量经D/A转换器转换成模拟量施加于加热器件中用于调节温度。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。其主要参数为：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，200mW。其使能端CS由单片机的P2.6控制，DAC0832的DI0DI7分别与单片机的P0.0P0.7连接，采用单缓冲输出方式，输出端再接uA741放大器输出模拟电压。其电路图如下所示：D/A转换电路五、数码管显示电路采用四位共阳数码管来显示当前的温度值。如下图所示：数码管显示电路第四部分 整机电路图第五部分 安装调试及性能检测一、安装调试通过电路图可以制作得到温度控制系统，这里篇幅有限，具体的安装调试不做细致说明二、系统性能分析分析系统的动态性能只要有两个，一个是跟随性能，另一个是抗绕性能。1.跟随性能分析在第二部分的设计方案中已经分析了系统的跟随性能，从所得的仿真图中可以知道，设计的系统具有良好的跟随性能，满足系统设计的要求。2.抗干扰性能分析（1）当= 0时的抗干扰性能分析1）干扰为阶跃信号的抗干扰性能分析结构图为：在1s时施加幅值为1的阶跃干扰，得到如下的仿真波形图，其中示波器的三个显示图，从上到下，分别为偏差信号，控制信号，输出信号。分析：由上图可得，当在被控对象之前加一定的阶跃干扰信号之后，系统受到阶跃信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，恢复原来的状态。如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为0，系统输出与输入信号相等，可知系统对于阶跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。2）干扰为脉冲信号的抗干扰性能分析结构图为：在1s时施加幅值1的脉冲干扰，其中Step与Step1是用来产生幅值为1的脉冲干扰，得到如下的仿真波形：分析：由上图可得，当在被控对象之前加一定的脉冲干扰信号之后，系统受到脉冲信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，恢复原来的状态。如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为0，系统输出与输入信号相等，可知系统对于脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。（2）当=0.4095时的抗干扰性能分析1）干扰为阶跃信号的抗干扰性能分析结构图为：在1s时施加幅值为1的阶跃干扰，得到如下的仿真波形图：分析：由上图可得，当在被控对象之前加一定的阶跃干扰信号之后，系统受到阶跃信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，回复原来的状态。如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为0，系统输出与输入信号相等，可知系统对于阶跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。2）干扰为脉冲信号的抗干扰性能分析结构图为：在1s时施加幅值1的脉冲干扰，其中Step与Step1是用来产生幅值为1的脉冲干扰，得到如下的仿真波形：分析：由上图可得，当在被控对象之前加一定的脉冲干扰信号之后，系统受到脉冲信号的干扰，输出不为零，由于系统具有抗干扰的功能，经过一定的时间后，会自动消除干扰引起的影响，恢复原来的状态。如上图所示，系统稳态误差经过一定时间后为零，系统输出与输入信号相等，可知系统对于脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。专心-专注-专业