對(duì)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 加熱爐系統(tǒng)溫度控制器設(shè)計(jì)目錄一、設(shè)計(jì)題目及要求1、 針對(duì)一個(gè)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)： 工程要求相角裕度為3060，幅值裕度6dB 要求測(cè)量范圍-50200，測(cè)量精度0.5，分辨率0.22、 書(shū)面設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；3、 選擇一種控制算法并借助軟件工程知識(shí)編寫(xiě)程序流程圖；4、 用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證; 對(duì)象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C),

2、rand(state,C),T=rang(1), 考慮=0或T/2兩種情況。 C為學(xué)號(hào)的后3位數(shù)，如C=325，K=115.7，T=0.9824，=0或0.49125、 進(jìn)行可靠性和抗干擾性的分析。二、設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)圖1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖被控過(guò)程保持器數(shù)字控制器w(t) + e(t) e(kT) u(kT) u(t) y(t)- T其控制過(guò)程可描述如下：1) 只有在采樣開(kāi)關(guān)閉合（即采樣）的kT時(shí)刻，才對(duì)系統(tǒng)誤差e(t)的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，也就是將整量化了的數(shù)字量e(kT)輸入給計(jì)算機(jī)（數(shù)字控制器）。這一過(guò)程稱(chēng)為實(shí)時(shí)采集。2) 計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)e(kT)進(jìn)行處理，即依給定的控制規(guī)律（數(shù)字控

3、制器）確定該kT采樣時(shí)刻的數(shù)字控制量u(kT)。這一過(guò)程稱(chēng)為實(shí)時(shí)決策。3) 將kT采樣時(shí)刻決策給出的數(shù)字控制量u(kT)轉(zhuǎn)換為kT時(shí)刻生效的模擬控制量u(t)控制被控對(duì)象。這一過(guò)程稱(chēng)為實(shí)時(shí)控制。2、硬件結(jié)構(gòu)圖被控對(duì)象溫度控制DA轉(zhuǎn)換單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換溫度輸出信號(hào)濾波信號(hào)放大溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)方案：溫度檢測(cè)環(huán)節(jié)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量溫度并通過(guò)差分放大電路放大其信號(hào)，之后通過(guò)濾波環(huán)節(jié)除去信號(hào)中參雜的高頻干擾，利用偏差信號(hào)進(jìn)行控制。之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入到單片機(jī)中去處理，單片機(jī)通過(guò)程序輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)之后對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行控制，使被控參數(shù)符

4、合系統(tǒng)的要求。而該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，將溫度控制在一定的范圍內(nèi)，由于單片機(jī)強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能，使得高精度高性能的調(diào)節(jié)方案可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，并且具有良好擴(kuò)展性(例如功能擴(kuò)展)，故本系統(tǒng)理論上可以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果并盡可能地智能化。三、 電路硬件設(shè)計(jì)1、 電橋電路電橋電路是用來(lái)把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流。分直流電橋和交流電橋，交流電橋主要用于測(cè)量電容式傳感器和電感式傳感器的電容和電感的變化，直流電橋主要用于電阻式傳感器。我們這里是用熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度的變化，所以先用直流電橋。而電橋可以分為單臂電橋，半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)。全橋差動(dòng)和板橋差動(dòng)雖然輸出信號(hào)對(duì)

5、電源的影響減小，但增加傳感器的個(gè)數(shù)，為了節(jié)約成本，可選擇單臂電橋。電橋電路如下：圖中R5,R6,R7,R8和R2構(gòu)成電橋電路，其中R2起的作用是，在傳感器變化為零時(shí)，調(diào)節(jié)R2使電橋平衡，輸出為零。假設(shè)R5=R6=R7=R8=R，電橋輸出。2、放大環(huán)節(jié)由于電橋輸出的信號(hào)十分微弱，所以放大電路采用義用放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，電路圖如下：其中義用放大電路的放大倍數(shù)為：如上圖所示的放大位數(shù)為79.5倍。由于放大信號(hào)很微弱，而且電橋輸出電阻較高，所以義用放大電路的運(yùn)算放大器要求輸入電阻很高，這里可采用場(chǎng)效應(yīng)管組成的輸入電路T1084。3、濾波電路為減少或消除外界干擾，而且溫度變化的頻率很慢，所以我們使用

6、幅頻特性較好的二階有源低通濾波電路，電路圖如下：圖中C1為0.2uF，C2為100pF,R13=R10=10K，低通濾波器的上限頻率略等于314HZ，而且設(shè)定放大倍數(shù)為1。4、A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)題目要求，溫度測(cè)量范圍為，分辨率為，則測(cè)量是量程為，再由，可得。可取，即采用12位的ADC和12位的DAC。當(dāng)采用12位ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí),其分辨率為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求?？刹捎肁DC574A芯片。電路圖如下：8051的P0口作為AD574A的地址線，P0口和P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作為數(shù)據(jù)線，用于接收獲取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器7413

7、8譯碼后的信號(hào)作為AD574A的片選信號(hào)輸入。5、D/A 轉(zhuǎn)換電路 由上分析，本設(shè)計(jì)需要采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，與之相對(duì)應(yīng)，可采用12位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。8051的P0口作為DAC1208的地址線，P0口和P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口作為數(shù)據(jù)線，用于傳送經(jīng)達(dá)林算法后的運(yùn)算結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的信號(hào)作為DAC1208的片選信號(hào)輸入。8051與DAC1208的連接圖如下所示：四、參數(shù)計(jì)算及仿真由題目要求，其中C為學(xué)號(hào)后三位，即466，則有下式： 而；從而考慮 和兩種情況。1、時(shí)數(shù)字調(diào)節(jié)器D（z）的實(shí)現(xiàn)a

8、、無(wú)控制作用下系統(tǒng)伯德圖此時(shí)使用MATLAB畫(huà)出其頻率特性曲線圖，程序如下： num=122.88; den=0.7479,1; w=logspace(-1,4); bode(num,den,w); grid on; title(系統(tǒng)122.88/(0.7479s+1)的Bode圖)BODE圖如下：無(wú)控制作用下系統(tǒng)伯德圖程序：由上圖可知，系統(tǒng)幅值裕度為無(wú)窮(Inf)，相角裕度為90.5deg。相角裕度和幅值裕度均不符合要求。需要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。b、最少拍下調(diào)節(jié)器函數(shù)因?yàn)楸豢貙?duì)象為一階無(wú)純滯后環(huán)節(jié)，因此可考慮使用數(shù)字 PID 算法或者最少拍設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)?，F(xiàn)采用最少拍設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)該對(duì)象的

9、控制器 D(Z) ，采樣時(shí)間Ts選擇Ts=0.374s 。所為最少拍系統(tǒng)或最少調(diào)整時(shí)間系統(tǒng)，是指對(duì)下圖所示的隨動(dòng)系統(tǒng)，在給定某種典型輸入條件下，設(shè)計(jì)一個(gè)控制規(guī)律D（z），使閉環(huán)系統(tǒng)具有最快的響應(yīng)速度，也就是能在最少個(gè)采樣周期時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤輸入給定值，即達(dá)到無(wú)靜差的穩(wěn)定狀態(tài)。r(t) + e(k) u(k) u(t) y(t) -數(shù)字控制隨動(dòng)系統(tǒng)廣義工業(yè)對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為：由上式知，所以解得所以則數(shù)學(xué)調(diào)節(jié)器為：因此可求得在單位階躍輸入下，系統(tǒng)期望輸出序列：顯然，當(dāng)（即第一拍）后，。也就是經(jīng)過(guò)一拍，系統(tǒng)響應(yīng)輸出序列已準(zhǔn)確跟蹤輸入函數(shù)且在采樣點(diǎn)上的穩(wěn)態(tài)誤差為零。系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：C、最少拍下系統(tǒng)

10、伯德圖使用MATLAB進(jìn)行Bode圖仿真，其程序如下： Ts=0.374; num=1; den=1 -1; Zk=tf(num,den,Ts); margin(Zk)可得出伯德圖如下：最少拍下系統(tǒng)伯德圖實(shí)驗(yàn)程序：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Bode圖由上圖可知，系統(tǒng)幅值裕度為無(wú)窮(Inf)，相角裕度為60deg。符合題目要求。d、單位階躍響應(yīng)下系統(tǒng)輸出使用MATLAB進(jìn)行SIMULINK仿真，仿真圖如下：其中輸入階躍響應(yīng)如下： 輸入波形圖系統(tǒng)輸出如下：最后拍系統(tǒng)輸出波形圖由上圖可知，系統(tǒng)在第一拍后。也就是經(jīng)過(guò)一拍，系統(tǒng)響應(yīng)輸出序列已準(zhǔn)確跟蹤輸入函數(shù)且在采樣點(diǎn)上的穩(wěn)態(tài)誤差為零。跟計(jì)算結(jié)果一樣。則所設(shè)計(jì)系統(tǒng)成立。滿

11、足系統(tǒng)要求。e、施加階躍干擾信號(hào)仿真圖如下：施加干擾信號(hào)：施加干擾波形圖圖中輸出波形如下：施加干擾后最少拍系統(tǒng)輸出波形由上圖可看出，系統(tǒng)的抗干擾性能較好，能在系統(tǒng)受到外界干擾后在較短時(shí)間內(nèi)回到穩(wěn)定值。f、施加隨機(jī)信號(hào)影響為了研究系統(tǒng)跟隨性能優(yōu)劣，在輸入處施加隨機(jī)干擾信號(hào)，并觀察其輸出信號(hào)變化。仿真圖如下： 施加隨機(jī)信號(hào)仿真圖隨機(jī)信號(hào)波形如下： 隨機(jī)信號(hào)輸出波形系統(tǒng)輸出波形圖如下： 施加隨機(jī)信號(hào)最少拍系統(tǒng)輸出波形由上圖可知，最少拍系統(tǒng)跟隨性能好，能準(zhǔn)確地跟上信號(hào)變化。由以上分析知當(dāng)時(shí)，以最小拍來(lái)設(shè)計(jì)能夠滿足題目要求，系統(tǒng)能在較少時(shí)間內(nèi)達(dá)到無(wú)靜差，并且該系統(tǒng)具有較好的抗干擾性和穩(wěn)定性。2、時(shí)數(shù)字調(diào)

12、節(jié)器D（z）的實(shí)現(xiàn)a、無(wú)控制作用下系統(tǒng)伯德圖此時(shí)，使用MATLAB畫(huà)出其頻率特性曲線圖，程序如下： k=122.88; den=0.749 1; G=tf(k,den,inputdelay,0.374); w=logspace(0,2,5); margin(G); title(系統(tǒng)122.88/(0.7479s+1)的Bode圖)BODE圖如下：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)Bode圖：由以上圖知，系統(tǒng)幅值裕度為0.421dB，相角裕度為175deg，不符合題目要求。方案分析與選擇：控制算法效果模擬化數(shù)字PID控制控制復(fù)雜且效果不一定好，當(dāng)/Tm（最大時(shí)間常數(shù)）0.5時(shí)，采用常規(guī)PID控制難以得到良好的控制S

13、mith純滯后補(bǔ)償控制將模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，有延遲的一部分用于抵消被延遲了的被控量，無(wú)延遲部分反映到調(diào)節(jié)器，讓調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而可明顯地減少超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程。但是該方式對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾無(wú)補(bǔ)償作用，且控制效果嚴(yán)重依賴(lài)于對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型精度，特別是純滯后時(shí)間達(dá)林算法針對(duì)多數(shù)工業(yè)過(guò)程具有純滯后特性，解決/Tm0.5時(shí)常規(guī)PID控制的難題，能使被控對(duì)象輸出沒(méi)有超調(diào)量或超調(diào)量很小由于被控對(duì)象具有純延時(shí)特性，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過(guò)渡過(guò)程變壞，且此對(duì)象的純延時(shí)時(shí)間與對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)T之比為0.5，采用常規(guī)PID算法難以獲得良好的系統(tǒng)性能，因此使用達(dá)林算法。當(dāng)使用達(dá)林算法求取字調(diào)節(jié)器時(shí)，必

14、須求得系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。而達(dá)林算法目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為具有純時(shí)延特性的一階慣性環(huán)節(jié)，其中，純時(shí)延時(shí)間等于工業(yè)對(duì)象的純時(shí)延時(shí)間，因此，我們可以設(shè)，其中為系統(tǒng)的期望閉環(huán)時(shí)間常數(shù)。因達(dá)林算法也是一種零、極點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)方法，它適用于廣義對(duì)象含有時(shí)延環(huán)節(jié)、且要求系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量或超調(diào)量很小的應(yīng)用場(chǎng)合，適當(dāng)放寬采樣周期T和的取值范圍或取值為同一數(shù)量級(jí)時(shí)，有利于消除或削弱振鈴現(xiàn)象。則可取=0.8。b、達(dá)林算法下調(diào)節(jié)器函數(shù)由以上分析知，帶純時(shí)延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下：其中，0.374，0.7479，K=122.88所設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如下：，式中，0.8。系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)式

15、中，為采樣周期，取L=2，可得。為期望閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。則廣義工業(yè)對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為：則所設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器形式為：因此可求得在單位階躍輸入下，系統(tǒng)期望輸出序列：系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：C、達(dá)林算法下系統(tǒng)伯德圖（未加增益）由以上傳遞函數(shù)，通過(guò)MATLAB求其伯德圖，程序如下： Ts=0.187; num=0 0 0 0.2084; den=1 -0.7916 0 0.2084; Zk=tf(num,den,Ts); margin(Zk)由上圖可知，在未加入適當(dāng)?shù)谋壤鲆?，系統(tǒng)的幅值裕度為12.6dB，相角裕度為72.5deg，可見(jiàn)該系統(tǒng)并不符合設(shè)計(jì)要求，故需要加入適當(dāng)?shù)谋壤鲆?，降低系統(tǒng)的相角裕度

16、。d、達(dá)林算法下系統(tǒng)伯德圖（加增益）對(duì)系統(tǒng)加入一個(gè)比例增益為之后，即傳遞函數(shù)變?yōu)椋和ㄟ^(guò)MATLAB進(jìn)行仿真，其仿真程序如下： Ts=0.187; num=0 0 0 0.4168; den=1 -0.7916 0 0.2084; Zk=tf(num,den,Ts); margin(Zk)可得伯德圖如下：實(shí)驗(yàn)bode圖：由上圖可知，系統(tǒng)此時(shí)的幅值裕度為6.57dB，相角裕度為54.1deg，均符合題目要求。e、單位階躍響應(yīng)下系統(tǒng)輸出通過(guò)Simulink仿真，其仿真圖如下：得出輸出波形如下：由以上圖分析可知，系統(tǒng)相對(duì)于無(wú)滯后系統(tǒng)時(shí)會(huì)有一定延時(shí)時(shí)間才能達(dá)到無(wú)靜差，并且系統(tǒng)伴有一定的超調(diào)。但系統(tǒng)最后能

17、在較短時(shí)間內(nèi)跟上輸出，達(dá)到無(wú)靜差。f、施加階躍干擾信號(hào)通過(guò)Simulink仿真，其仿真圖如下： 達(dá)林算法下系統(tǒng)仿真圖（含增益）干擾信號(hào)波形：施加干擾信號(hào)波形圖系統(tǒng)輸出波形圖：由以上分析可知，達(dá)林算法下系統(tǒng)抗干擾性較好，在施加干擾后，能在較短時(shí)間回到穩(wěn)定狀態(tài)。g、施加隨機(jī)信號(hào)影響通過(guò)Simulink仿真，其仿真圖如下：達(dá)林算法施加隨機(jī)信號(hào)仿真圖隨機(jī)信號(hào)波形：系統(tǒng)輸出波形圖：由以上分析知，達(dá)林算法下所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在隨機(jī)信號(hào)輸入下，能很好地跟隨其變化。綜上時(shí)，使用達(dá)林算法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在加入增益后，系統(tǒng)的相角裕度，幅值裕度均符合題目所要求，并且該系統(tǒng)具有較好的抗干擾性和穩(wěn)定性，能在較短時(shí)間內(nèi)使輸出達(dá)到無(wú)靜差

18、。五、心得與體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我掌握了計(jì)算機(jī)控制設(shè)計(jì)的基本方法。通過(guò)獨(dú)立完成方案分析、整體方案設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、控制對(duì)象分析、控制算法的選擇和控制器的設(shè)計(jì)與仿真，更好地提高了我系統(tǒng)思考的能力，提高了學(xué)以致用、理論聯(lián)系實(shí)際能力，提高了動(dòng)手的能力。初次接觸該設(shè)計(jì)時(shí)，由于一開(kāi)始T時(shí)計(jì)算錯(cuò)誤以及對(duì)無(wú)延時(shí)系統(tǒng)的分析不合理，導(dǎo)致一直不能達(dá)到題目要求。經(jīng)過(guò)查找資料和與同學(xué)討論，最后明白T值是需要使用Matlab計(jì)算所得，而并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的隨機(jī)數(shù)。而無(wú)延時(shí)時(shí)，一開(kāi)始并未考慮過(guò)多，受網(wǎng)上一些資料影響，所使用方法完全錯(cuò)誤。最后，明白應(yīng)該使用最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在這里耽誤了不少時(shí)間用于計(jì)算參數(shù)，數(shù)字調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。但通過(guò)此次錯(cuò)誤，明白到，做任何事情都必須持有一顆嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的心，而要想達(dá)到正確的結(jié)果，必須認(rèn)真分析題目要求，建立一個(gè)最佳的方案，而并非盲目的使用。而在硬件設(shè)計(jì)方面，剛開(kāi)始時(shí)并未想到要使用橋式及放大電路，只想到用單片機(jī)和簡(jiǎn)單的AD、DA轉(zhuǎn)換元件就能完成題目要求。后來(lái)，在網(wǎng)上查找資料時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度信號(hào)過(guò)少，很難準(zhǔn)確地進(jìn)行處理，必須使用橋式和放大電路進(jìn)行改進(jìn)，并且要加上濾波電路抑制其高頻部分。由于本學(xué)期學(xué)了單片機(jī)原理及應(yīng)用此門(mén)課程，在單片機(jī)和AD、DA電路連接部分并沒(méi)有花太多時(shí)間。在仿真過(guò)程中，遇到不少問(wèn)題，開(kāi)始時(shí)，仿真模型直接使用了零階保持器（Z