计算机控制技术基础课程设计.docx

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1、计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019计算机掌握技术根底课程设计专业过程装备与掌握工程班级过控 1301 班学生姓名王学生学号2023指导教师张太原理工大学化学化工学院2023 年 12 月1计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019序言计算机掌握系统是在自动掌握技术和计算机技术进展的根底上产生的。计算机掌握系统就是利用计算机来实现生产过程自动掌握的技术。计算机掌握技术在生活中和国民生产中有着广泛的应用，生活中随处可见的智能灯具设计和掌握、照明颜色合理搭配、智能电子广告的设计和应用等，计算机掌握技术表达着越来越重要的作用，在生活中

2、随处可见。其在工业生产中的应用更为重要，体统的掌握， 工业过程的掌握，计算机软件通过计算机硬件的接口对加工刀具进展掌握，进展趋势就是全面的自动掌握。计算机掌握系统主要由计算机和生产过程两大局部组成。工业掌握机试之按生产过程掌握的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个局部。生产过程包括被控对象和测量便送、执行机构、电气开关等装置。计算机引入掌握领域是 60 年月。这种系统的调整器主要是承受模拟调整器。系统中既有计算机又有调整器，系统简单，投资又大，这种系统称为计算机监控系统。在 60 年月末期消灭了用一台计算机直接掌握一个机组或一个车间的掌握系统，简称集中掌握系统，集中掌握系统在计算机掌

3、握系统的进展过程中起到了乐观作用。在这种掌握系统中，计算机不但完成操作处理，还可直接依据给定值、过程变量和过程中其它的测量值，通过PID 运算，实现对执行机构的掌握。这种掌握系统是直接数字掌握系统，简称 DDC 系统。 DDC 掌握的根本思想是使用一台计算机代替假设干个调整掌握回路功能。最初进展时期望能够至少可以掌握 50 个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量挨次掌握和规律推断操作的掌握系统来说收到了良好的效果。2计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019计算机掌握技术根底课程设计任务书一、课程设计目的通过对一个有用计算机掌握系统的

4、设计，培育学生综合运用所学理论学问，理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用力量。提高学生的工程认知和初步实践力量，获得掌握技术工程的根本训练。通过课程设计，加深学生对计算机掌握技术的生疏和实际应用， 使学生从整体上了解计算机掌握系统的工作原理、设计原则，把握计算机掌握系统的构造、组成和整体设计方法和步骤，编程调试，为将来将计算机掌握技术应用到生产过程打下根底。二、课程设计任务以常用计算机如工业掌握计算机、PLC 或单片机为主掌握器进展设计，进展系统总体方案的设计、论证和选择；系统硬件设计和软件设计，字数不少于 3000 字。1、依据选做题目自行确定掌握要求和掌握精度，如：假设选定温度掌握系统

5、设计需确定温度掌握范围和掌握精度等。2、软件设计方案及要求分析被控参数特性、数学模型，确定掌握规律及方法掌握规律和方法包括：PID 算法、最小拍、达林算法等。要求利用 MATLAB 进展仿真争论，分析并给出被控变量，偏差和掌握器输出波形图，具体说明 PID 掌握算法参数整定过程；3、 硬件设计方案及主要器件具体选型，完成选型分析和计算，指明供货厂商、产品具体型号、技术参数等。绘制计算机掌握系统硬件框图，并依据以上器件选型，画出模拟量输入、输出通道电路接口线路原理接线图或系统构造图。主要器件包括：工业计算机主机、输入通道传感器、变送器、A/D 模块等输出通道D/A 模块或模板、执行机构等等器件。

6、提示：硬件选型可在相应产品商家网站上或技术论坛搜寻猎取资料进展器件或模板选型。三、设计题目和内容设计一个针对大纯时延一阶惯性对象 G(s) = 具体内容：Ke-tsTs +1 的计算机掌握系统1） 自己设定系统性能指标，对象传函，以及系统的闭环传递函数的表达式。比方：加热炉温度掌握系统，广义对象传递函数为 G(s) =120e-0.0062 s0.0124 s + 1，要求测量范围 -50Ke-ts200，测量精度 0.5，区分率 0.2；或电阻加热炉温度掌握对象模型：G(s) = T s + 1 ，K=50，T=30s，=10s，电阻加热炉功率 800w，220v 沟通供电。控温范围：503

7、50；3计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019保温阶段掌握精度：12） 选择一种掌握算法，设计出 D(z)。建议先用 PID 进展调整，设计出的掌握算法进展比较。由于掌握对象的纯时延特性常导致掌握系统的稳定性降低，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Tm之比大于等于 0.5 时，承受常规 PID 算法难以获得良好的系统性能，因此考虑承受达林算法。3） 硬件设计方案及主要器件具体选型：绘制计算机掌握系统硬件框图，主要器件包括：工业计算机主机、输入通道传感器、变送器、A/D 模块等输出通道D/A 模块或模板、执行机构等等器件，并依据以

8、上器件选型，指明供货厂商、产品具体型号、技术参数等。提示：硬件选型可在相应产品商家网站上或技术论坛搜寻猎取资料进展器件或模板选型。4） 软件设计方案及要求：分析被控参数特性、数学模型，确定掌握规律及方法掌握规律和方法包括：PID 算法、最小拍、达林算法等。要求利用 MATLAB 进展仿真争论，分析并给出被控变量，偏差和掌握器在单位阶跃和单位速度输入下的输出波形图，具体说明 PID 掌握算法参数整定过程；4计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019名目摘要6第一章 电阻炉温度掌握系统的掌握要求和总体掌握方案71.1 系统的描述与分析71.2 方案的比较和确定8其次章

9、 系统硬件设计82.1 总体设计82.2 温度检测电路112.3 温度掌握电路122.4 人机对话电路13第三章 电阻炉温度系统软件设计163.1 掌握算法确实定163.2 数学模型的建立163.3 基MATLAB 仿真被控对象18第四章 总结20参考文献215计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019设计说明书摘要随着科学技术的迅猛进展，各个领域对温度掌握系统的精度、稳定性等要求越来越高， 掌握系统也千变万化。电阻炉广泛应用于各行各业， 其温度掌握通常承受模拟或数字调整仪表进展调整，但存在着某些固有的缺点。而承受单片机进展炉温掌握，可大大地提高掌握质量和自动化水

10、平， 具有良好的经济效益和推广价值。本设计以 89C51 单片机为核心掌握器件，以ADC0809 作为 A/D 转换器件，承受闭环直接数字掌握算法，通过掌握可控硅来掌握热电阻，进而掌握电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度掌握系统。设计对象：电阻炉温度掌握系统关键字：电阻炉 89C51 单片机 温度掌握 A/D 转换6计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019电阻炉温度掌握系统第一章 电阻炉温度掌握系统的掌握要求和总体掌握方案1.1 系统的描述与分析1.1.1 系统的介绍该系统的被控对象为电炉，承受热阻丝加热，利用大功率可控硅掌握器掌握热阻丝两端所

11、加的电压大小，来转变流经热阻丝的电流，从而转变电炉炉内的温度。可控硅掌握器输入为05伏时对应电炉温度0500，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取 T 30秒，滞后时间常数取101秒。该系统利用单片机可以便利地实现对 PID 参数的选择与设定，实现工业过程中 PID 掌握。它承受温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进展A/D 转换，再送入计算机中，与设定值进展比较，得出偏差。对此偏差按PID 规律进展调整，得出对应的掌握量来掌握驱动电路，调整电炉的加热功率，从而实现对炉温的掌握。利用单片机实现温度智能掌握，能自动完成数据采集、处理、转换、并

12、进展 PID 掌握和键盘终端处理各参数数值的修正 及显示。在设计中应当留意，采样周期不能太短，否则会使调整过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反响，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使干扰无法准时消退，使调整品质下降。1.1.2 技术指标设计一个基于闭环直接数字掌握算法的电阻炉温度掌握系统具体化技术指标如下：1. 电阻炉温度掌握在 0500；2. 加热过程中恒温掌握，误差为2；3. LED 实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为 1；4. 承受直接数字掌握算法，要求误差小，平稳性好；5. 温度超出预置温度5时发出报警。7计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃

13、-20230030191.2 方案的比较和确定方案一系统承受 8031 作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理放大送到 A/D 转换器，转换后的数字信号再送到 8031 内部进展推断或计算。从而输出的掌握信号来掌握锅炉是否加热。但对于8031 来说，其内部只有128 个字节的RAM， 没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必需对 8031 进展存储器扩展和 I/O 口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的 I/O 口较多，使系统的设计简单化。方案二系统承受 89C51 作为系统的微处理器来完成对炉温的掌握和键盘显示功能。8051 片内除

14、了 128KB 的 RAM 外，片内又集成了 4KB 的 ROM 作为程序存储器，是一个程序不超过4K 字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O 口削减，同时也为键盘、显示等功能的设计供给了硬件资源，简化了设计，降低了本钱。因此 89C51 可以完成设计要求。综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较适宜。其次章 系统硬件设计2.1 总体设计系统的硬件包括微掌握器局部主机、温度检测、温度掌握、人机对话键盘/显示/ 报警4 个主要局部，系统的构造框图如图 4-1 所示。系统程序承受模块化设计方法，程序有主程序、中断效劳子程序和各功能模块程序组成，各功能模块可直

15、接调用。8计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019报警电路光耦驱动电路可控硅掌握器电阻炉按键掌握单片机显示电路A/D转换器温度传感器图 4-1 系统构造框图该局部电路主要包括 89C51 主程序的工作状况，主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测。预置温度的显示及定时器 T0 的初始化设置等。T0 中断效劳程序是温度掌握体系的主体，用于温度检测、掌握和报警。主程序和中断效劳子程序的流程图如图 4-2 所示。主程序如下：TEMP1EQU 50H；当前检测温度高位TEMP2EQU TEMQ1+1；当前检测温度低位ST1EQU 52H；预置温度高位ST2EQU

16、53H；预置温度低位T100EQU 54H；温度 BCD 码显示缓冲区百位T10EQU T100+1；温度 BCD 码显示缓冲区十位TEQU T100+2；温度 BCD 码显示缓冲区个位BT1EQU 57H；温度二进制码显示缓冲区高位BT2EQU BT1+1；温度二进制码显示缓冲区低位ADIN0EQU 7FF8H；ADC 0809 通道 IN0 的端口地址F0BIT PSW.5；报警允许标志TEMP1DB00H ， 00H ， 00H ， 00H ， 00H ， 00H ， 00H ， 00H ，00H；50H58H 单元初始化(清零) ORG 0000HAJMP MAIN；转主程序ORG 0

17、0BHAJMP PT0；转 T0 中断效劳子程序9计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019ORG 0030HMAIN： MOV SP，#59H；设堆栈标志CLR F0；报警标志清零MOV TMOD，#01H；定时器 0 初始化方式 1 MOV TL0，#0B0H；定时器 100ms 定时常数MOV TH0，#3CHMOV R7，#150；置 15s 软计数器初值SETB ET0；允许定时器 0 中断SETB EA；开中断SETB TRO；启动定时器 0 MAIN1：ACALL KIN；调键盘治理子程序ACALL DISP；调用显示子程序SJMP MAIN1定时器

18、 0 中断效劳子程序 PT0： PT0：MOV TL0，#0BOHMOV TH0，#3CH；重置定时器 0 初值DJNZ R7，BACK；15s 到否，不到返回MOV R7，#150；重置软计数器初值ACALL TIN；温度检测MOV BT1，TEMP1；当前温度送到显示缓冲区MOV BT0，TEMP0ACALL DISP；显示当前温度ACALL CONT；温度掌握ACALL ALARM；温度越限报警BACK：RETI10计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019图 4-2 主程序和中断效劳子程序的流程图2.2 温度检测电路温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/

19、D 转换三局部。传感器选用型号为11计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019WZB-003 的铂热电阻，可满足本系统 0500测量范围的要求。变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在 0500时变送器输出 04.9v 左右的电压。A/D 转换可承受 ADC0809 进展，亦可承受单片机内部 A/D 功能进展。电路设计好后调整变送器的输出， 使 0500的温度变化对应于 04.9v 的输出，则 A/D 转换对应的数字量位 00HFAH,即0250，转换结果乘以 2 正好是温度值。用这种方法一方面可以削减标度变换的工作量， 另一方面还可以避开标度变换带来的

20、计算误差。本设计 A/D 转换承受查询方式由P1.4 查询 ADC0809 的 ECO 转换完毕信号。为提高采样的牢靠性，对采样温度进展数字滤波。数字滤波的方法很多，这里承受 4 次采样取平均值的方法。因此，4 次采样的数字量之和除以 2 就是检测的当前温度。温度检测子程序流程图如图 4-3 所示。开头检测结果缓冲区清零采样次数 4送R2启动A/D转换N转换完毕？Y累加采样结果结果低 8位送 51H 高 8位送 50HN R2 -1送R2 R2=0?Y4次累加结果除以 2送检测结果缓冲区返回图 4-3 温度检测子程序流程图2.3 温度掌握电路掌握电路承受可控硅来实现，双向可控硅 SCR 和电路

21、电阻丝串接在沟通 220V 市电回12计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的掌握端，由端口的凹凸电平来掌握可控硅的导通与断开，从而掌握电阻丝的通电加热时间。将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停顿加热；当二者相等时电路保持原来状态； 当温度降低到比预置温度低 2时，再重启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停顿加热。由于电炉加热时，当前温度有可能低于报警下限，为防止误报，在未到达预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标

22、志位F0。温度掌握模块流程图见图4-4。开头当前温度与预设温度比较N当前温度预设温度？YN置允许报警标志当前温度5C？YN允许报警？Y开警报器， 关电炉返回图 4-6 报警子程序流程图15计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019第三章 电阻炉温度系统软件设计3.1 掌握算法确实定PID 调整是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种掌握算方法。它构造敏捷， 不仅可以用常规的 PID 调整，而且可以依据系统的要求，承受各种 PID 的变型，如 PI、PD 掌握及改进的 PID 掌握等。它具有很多特点，如不需要求出数学模型、掌握效果好等，特别是在微机掌握系统中，对于

23、时间常数比较大的被掌握对象来说，数字PID 完全可以代替模拟 PID 调整器，应用更加敏捷，使用性更强。所以该系统承受PID 掌握算法。系统的构造框图如图 3-1 所示：图 3-1 系统构造框图3.2 数学模型的建立具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：G(s) =Ke-ts T s + 112-1在 PID 调整中，比例掌握能快速反响误差，从而减小误差，但比例掌握不能消退稳态误差， K 的加大，会引起系统的不稳定；积分掌握的作用是：只要系统存在误差，积分控p制作用就不断地积存，输出掌握量以消退误差，因而，只要有足够的时间，积分掌握将能完全消退误差，积分作用太强会使系统超调加

24、大，甚至使系统消灭振荡；微分掌握可以使减小超调量，抑制振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时16计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019间，从而改善系统的动态性能。将P、I、D 三种调整规律结合在一起，可以使系统既快速灵敏，又平稳准确，只要三者强度协作适当，便可获得满足的调整效果。模拟 PID 掌握规律为：u(t) = Ke(t) + 1 t e(t)dt + Tde(t)2-2pT0IDdt式中： e(t) = r(t) - y(t) 称为偏差值，可作为温度调整器的输入信号，其中r(t) 为给定值， y(t) 为被测变量值； K为比例系

25、数；T 为积分时间常数；T为微分时间常数；u(t) 为pID调整器的输出掌握电压信号。由于计算机只能处理数字信号，故上述数字方程式必需加以变换。设采样周期为 T， 第k 次采样得到的输入偏差为e(k ) ，调整器的输出为u(k ) ，作如下近似：de(t) e(k ) - e(k - 1)用差分代替微分dtTt e(t)dt k0Te(i)用求和代替积分这样，式2-2便可改写为：i=1u(k) = Ke(k) +1 kTe(i) + Te(k) - e(k -1)2-3pTDTIi=1其中， u(k ) 为调整器第k 次输出值； e(k ) 、e(k - 1) 分别为第k 次和第k - 1次采

26、样时刻的偏差值。由式可知： u(k )是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型PID 算法。在这种位置型掌握算法中，由于算式中存在累加项，而且输出的掌握量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化， 这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是掌握量确实定值，而是其增量时，可承受增量型PID 算法。当掌握系统中的执行器为步进电机、电动调整阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均承受增量型PID 掌握算法。与位置算法相比，增量型 PID 算法有如下优点：（1） 位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算

27、式中要用到过去偏差的累加值 ，简洁产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消退调整器的积分饱和，在精度缺乏时，计算误差对掌握量的影响较小，简洁取得较好的掌握效果。17计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019（2） 为实现手动自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度 ，假设承受增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化局部，即算式中不消灭 项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。（3） 承受增量型算法时所用的执行器本身都具有存放作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。正由于具有上述优点

28、，在实际掌握中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用位置型 PID 掌握算法，可得到增量型 PID 掌握算法的递推形式为：Du( k ) = Kp e( k)-e( k-1)+IKe (k+ )DKe -(k )2e- (k + 1)e-k2-4式中， Kp为比例增益； KI= KT TpI为积分系数； KD= KTpDT 为微分系数。为了编程便利，可将式2-4整理成如下形式：式中：Du(k) = q0e(k ) + q e(k -1) + q12e(k - 2)2-5TTq= K0p(1+TI+ D )Tq = -K1p(1+ 2 T )DTDq= KT2p T3.3 基 MATLAB

29、仿真被控对象承受 matlab 仿真，通过matlab 模块实现积分分别 PID 掌握算示。设采样时间Ts=10s， 被控对象为：G(s) =e-10 s1 + 30smatlab 仿真图如图 5-1 所示。18计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019图 5-1 matlab 仿真图选择适宜的 Kp，Ki，Kd 是系统的仿真效果趋于抱负状态。MATLAB 编写程序如下：clear all; close all; ts=4;sys=tf(1,30,1,”inputdelay”,10); dsys=c2d(sys,ts,”zoh”);num,den=tfdata(d

30、sys,”v”); kp=13;ki=0.4; kd=0.2;MATLAB 仿真波形如图 5-2 所示。19计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-段颉颃-2023003019图 5-2 MATLAB 仿真波形第四章 总结课程设计是对我们在这学期学到的微型计算机掌握技术这门课的理论学问的一个综 合测评，是对我们将理论结合时间的综合力量的考察，是培育我们觉察问题、解决问题的力量，是激发我们内在创意识的途径。在此次课程设计中，我们学到了很多寻常课堂上学不到的东西，比方：单片机系统的开发与可行性分析、电炉的设计与制作、器件的选型、程序的设计与调试、系统的调试以及寻常没有接触到的在线编程与相关软件

31、等等。在设计过程中我遇到了很多难以解决的问题，通过去图书馆看书、上网查资料以及请教同学，努力最终一步一步得以解决。通过这次课程设计，不仅熬炼了我的动手力量，更培育了我觉察问题、解决问题的力量，稳固了我以前学过的专业学问，促进了我的自学力量。通过本次设计，我还了解了微机掌握中DDC 算法的根本概念及其对系统设计的相关应用。什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻生疏到算法的掌握对整个系统的重要作用。一个细小的参数设定消灭偏差，可能导致最终的性能指标不和标准。所以选择一个优良的方案对于试验至关重要。20计算机掌握技术课程设计-过控 1301 班-

32、段颉颃-2023003019参考文献1吴金戌, 沈庆阳, 郭庭吉.8051 单片机实践与应用. 北京:清华大学出版社, 2023. 2李建忠. 单片机原理及应用. 西安:西安电子科技大学出版社, 2023.3潘民, 王燕芳. 微型计算机掌握技术. 北京:高等教育出版社, 2023. 4何立民. 单片机应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 2023.5韩志军, 沈晋源, 王振波. 单片机应用系统设计. 北京:机械工业出版社, 2023. 6宋书中. 自动化技术工程设计实践. 武汉:武汉理工大学出版社, 2023.7周航慈.单片机程序设计根底.北京:北京航空航天大学出版社,2023.21