計算機控制技術課程設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上計算機控制課程設計 學 院 自動化科學與工程 學生姓名 學生學號 班級 提交日期 2013 年 9 月 5 日指導老師目 錄1） 課程設計任務題目及要求2） 課程設計任務對象與論證3） 控制器的計算、選擇以及系統(tǒng)仿真4） 硬件電路的設計 5） 系統(tǒng)框圖 6） 程序流程圖 7） 參考文獻 八）心得體會 一、 課程設計任務題目及要求總體：設計一個具有大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié)的計算機控制系統(tǒng)，字數(shù)不少于3000字。具體內容：1） 自己給出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的表達式2） 自己設定系統(tǒng)性能指標3） 書面設計一個計算機控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖4） 硬件布線連接圖轉化為系統(tǒng)結構圖

2、5） 選擇一種控制算法6） 軟件工程知識編寫程序流程圖7） 在MATLAB下進行編程和仿真，給出單位階躍函數(shù)的輸出結果表8） 進行系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性的分析要求：1、 針對一個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：² 工程要求相角裕度為30°60°，幅值裕度>6dB² 要求測量范圍-50200，測量精度0.5，分辨率0.22、 書面設計一個計算機控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉化為系統(tǒng)結構圖；3、 選擇一種控制算法并借助軟件工程知識編寫程序流程圖；4、 用MATLAB和SIMULINK進行仿真分析和驗證;二、 課程設計任務對象

3、與設計的分析論證1.控制對象的分析與說明本設計的控制對象是一個含有具有大時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，而在通常的溫度控制系統(tǒng)中，控制對象往往就可以視作含有一個大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，故本次計算機控制系統(tǒng)設計則可以以一個溫度控制系統(tǒng)為例設計：加熱爐溫度控制系統(tǒng)。目的是保持被加熱液體的溫度與設定值盡量一致，當系統(tǒng)出現(xiàn)干擾時能夠較快地恢復到設定值。讓純時延為T/2，被控對象傳遞函數(shù)為： 需要對這一傳遞函數(shù)進行分析，添加適當?shù)目刂破?，以滿足設計要求，取得預期效果。2.系統(tǒng)設計的一般步驟和要點投入運行硬件有錯？完成控制目的？調試硬件布線和安裝系統(tǒng)試運行寫EPPROM達到預期目的？編制源程序、調試和

4、仿真元器件芯片選擇和測試畫應用程序流程圖開關量、模擬量I/O通道設計系統(tǒng)總體方案設計系統(tǒng)控制工藝流程圖控制對象的功能和工作過程的分析建模：描述控制量和輸出量之間的數(shù)學關系； 確定控制任務：動態(tài)和靜態(tài)指標； 選擇算法；系統(tǒng)結構包括系統(tǒng)總線的選擇； 內存空間分配：系統(tǒng)軟件、應用程序、待擴充； I/O分配：模擬/開關量I/O、待擴充； 模擬量I/O通道的配置；中斷、查詢處理方式的確定；即組構計控系統(tǒng)原理描述圖，包括信號流程圖（接合控制對象的工藝流程）； 給定量方式線路方案 采樣信號口地址分配 內存參數(shù)區(qū)濾波環(huán)節(jié) 控制量輸出信號標準化 算法步驟技術指標負載考慮如MOS、TTL器件邏輯電平、I/O電流、

5、輸入/輸出 能力，以及緩沖器的選擇 N Y 機箱設計、布線走向 電路板設計 端接板配置 Y N N Y三、控制器的計算，選擇，和系統(tǒng)的仿真1、當傳遞函數(shù)為時，用MATLAB繪出其波特圖：程序為： num=120;den=0.0124 1;g=tf(num,den,'iodelay',0.0062);margin(g);grid on; 波特圖為：由上圖可知，幅值裕度為-0.276dB<6dB,相角裕度為-107deg，不滿足題目要求。故需對對象進行合理控制使其工作符合要求,需要進行設計。2.算法選擇l 最小拍無紋波：即最少調整時間系統(tǒng)，在給定某種典型輸入（如單位階躍輸入、

6、單位速度輸入或單位加速度輸入）條件下，通過設計一個控制規(guī)律使得閉環(huán)系統(tǒng)輸出具有最快的響應速度，且輸出的采樣點之間沒有紋波。在滿足系統(tǒng)的快速性、準確性、穩(wěn)定性和可實現(xiàn)性條件下，設計出來的數(shù)字調節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差的穩(wěn)定狀態(tài)。但是最少拍系統(tǒng)存在著局限性：對輸入信號類型的適應性差；對系統(tǒng)參數(shù)的變化敏感；控制作用易超出允許的控制范圍。l Dalin算法：在控制系統(tǒng)設計中，純滯后往往是影響系統(tǒng)動態(tài)特性的不利因素，如在熱工和化工的許多工業(yè)生產過程中，其被控對象模型的不確定性、參數(shù)隨時間的漂移性和含有較大的純滯后，如果要求控制系統(tǒng)在最少拍內達到穩(wěn)態(tài)，則不但不能達到預期的效果，反而會引起系統(tǒng)產生大的超調或振蕩。

7、而事實上，對這類系統(tǒng)的控制要求，快速性是次要的，而主要要求系統(tǒng)沒有超調或很少的超調。達林算法就是一種專門針對工業(yè)生產過程中含有純滯后控制對象的直接數(shù)字設計算法。l 對溫度控制系統(tǒng)的要求, 主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化, 超調小或者無超調, 穩(wěn)定性好, 不振蕩, 對系統(tǒng)的快速性要求不高。而Dalin算法的設計目標是對帶時延的一階或二階慣性環(huán)節(jié)工業(yè)對象，設計一個數(shù)字調節(jié)器，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為具有純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)，目的是使輸出無超調或者超調很小。結合本次課程設計的控制對象數(shù)學模型，若其為不帶延時的一階慣性環(huán)節(jié)，則選用（1）方案，用最少拍無波紋來設計控制器；若其為帶時延的一

8、階慣性環(huán)節(jié)，而設計目標就是無超調或者超調很小，故選用（2）方案，用Dalin算法來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。 3. 控制器設計當傳遞函數(shù)為 時，由于控制對象的純時延特性常導致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。有資料指出，當對象的純延遲時間與對象慣性時間常數(shù)之比大于等于0.5時，采用常規(guī)PID算法難以獲得良好的系統(tǒng)性能，因此考慮采用達林算法。帶純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下： 其中，0.0062，0.0124，K=120。由達林算法，取得系統(tǒng)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 式中，0.0124 ，大于，則RA0，無振鈴現(xiàn)象。由于L×T，取L2，可得T/20.0031s0.7788，0.7788由以上數(shù)

9、據(jù)可得系統(tǒng)期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：H（z）被控對象的廣義脈沖傳遞函數(shù)為：G（z）K數(shù)字控制器的控制規(guī)律為：D（z）系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：D(z)G(z)加上比例的控制器：D(z)= G(k)= 由以上結果，通過MATLAB仿真結果如下：輸入程序：Ts=0.0031dnum=0,0,0,0.2212dden=1,-0.7788,0,-0.2212Zk=tf(dnum,dden,Ts)margin(Zk)輸出結果：Ts = 0.0031dnum = 0 0 0 0.2212dden = 1.0000 -0.7788 0 -0.2212Transfer function: 0.2212-z3 -

10、0.7788 z2 - 0.2212Sampling time: 0.0031由上圖可知，在未加入適當?shù)谋壤鲆?，系統(tǒng)的幅值裕度為12.2dB，相角裕度為71deg，可見該系統(tǒng)并不符合設計要求，故需要加入適當?shù)谋壤鲆?，降低系統(tǒng)的相角裕度。加入一個適當?shù)谋壤鲆?之后，MATLAB仿真程序以及結果如下：輸入程序：Ts=0.0031dnum=0,0,0,0.4424dden=1,-0.8032,0,-0.1968Zk=tf(dnum,dden,Ts)margin(Zk)輸出結果：Ts = 0.0031dnum = 0 0 0 0.3982dden = 1.0000 -0.8032 0 -0.19

11、68Transfer function: 0.3982-z3 - 0.8032 z2 - 0.1968Sampling time: 0.0031由上圖可知，系統(tǒng)的幅值裕度為6.9dB，相角裕度為54deg?？梢?，加入了一個2的比例增益之后，系統(tǒng)的性能能夠符合設計要求。采用MATLAB的SIMULINK軟件進行仿真，系統(tǒng)框圖如下：通過SIMULINK仿真的結果如下：由上圖可知，在t1s時對系統(tǒng)施加一個單位階躍給定輸入信號，在規(guī)定的采樣周期時間之后一定的微小延遲系統(tǒng)達到了穩(wěn)定。系統(tǒng)無超調，調節(jié)過程也較快，調節(jié)性能保持較佳狀態(tài)。系統(tǒng)在一個采樣周期之后一定的誤差范圍內穩(wěn)定，并準確跟隨輸入信號，調節(jié)性能

12、良好，整個系統(tǒng)性能足以滿足設計要求。4、 硬件電路設計1. 硬件設計思路與方案實現(xiàn)達林算法的控制，無疑是采取計算機控制系統(tǒng)對溫度控制系統(tǒng)進行控制。在此，計算機可采用單片機8051。要對溫度進行控制，首先要采用溫度傳感器對溫度進行檢測。由于傳感器的輸出信號較為微弱，故必須經放大后才能輸入A/D轉換單元。通過A/D轉換，將放大后的模擬信號轉化為數(shù)字信號后輸入8051單片機，在單片機內部進行比較處理和達林算法運算后把結果送D/A轉換單元。經D/A轉換后，經過驅動使溫度調節(jié)器進行相應的動作，從而達到及時控制溫度的目的。在A/D轉換器或D/A轉換器與8051的連接時，有一個問題是芯片的物理地址。這就需要

13、采用地址鎖存器74373及譯碼器74138。通過譯碼進行片選，便可知各芯片的物理地址。另外，A/D轉換器與D/A轉換器還涉及一個位數(shù)與轉換精度的問題。根據(jù)題目要求，溫度測量范圍為，分辨率為，則測量是量程為，再由，可得。可取，即采用12位的ADC和12位的DAC。當采用12位ADC進行模/數(shù)轉換時,其分辨率為，遠遠滿足設計要求。2. 溫度傳感器輸出端與ADC的連接由上分析可知，本設計需要采用12位的A/D轉換器，可采用AD574A芯片進行模/數(shù)轉換。由于溫度傳感器的輸出電壓較小，電壓值通常為毫安級，故必須經放大后才能輸入模/數(shù)轉換器ADC，運算放大器選擇LM139。為了提高溫度傳感器的靈敏度，可

14、將溫度傳感器接入平衡電橋中，經差動放大后再輸入到AD574A的10VIN輸入端。溫度傳感器輸出端與ADC的連接如圖一所示：圖一 溫度傳感器輸出端與AD574A的連接3.ADC與單片機8051的連接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的轉換結果。P0口經地址鎖存器74373鎖存，并經三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為AD574A的片選信號輸入。AD574A與8051的連接圖如下所示：圖二 AD574A與8051的連接圖4. 單片機8051與DAC的連接 由上分析，本設計需要采用12位的A/D轉換器，與之

15、相對應，可采用12位的D/A轉換器DAC1208芯片進行模/數(shù)轉換。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，用于傳送經達林算法后的運算結果。P0口經地址鎖存器74373鎖存，并經三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為DAC1208的片選信號輸入。8051與DAC1208的連接圖如下所示：圖三 8051與DAC1208的連接圖5.整機電路綜合上述，可得計算機控制系統(tǒng)整機電路如下圖所示：（a） 傳感器信號放大輸出Vin5、 系統(tǒng)框圖結合整體電路圖，易得本計算機控制系統(tǒng)的框圖如下圖（a）所示。圖（b）是其等效系統(tǒng)模型，為采樣周期，D(z

16、)為數(shù)字調節(jié)器，為采樣保持器，為廣義對象。溫度數(shù)字量給定單片機DAC溫度調節(jié)器被控對股集團象+ADC溫度傳感器-計 算 機溫度放大電 路（a）D（z）G（s）y溫度數(shù)字量給定+-計 算 機（b）圖五 大滯后溫度控制系統(tǒng)結構圖 圖中，由單片機、模/數(shù)轉換器AD574A和數(shù)/模轉換器DAC1208組成計算機系統(tǒng)。溫度傳感器的輸出信號（經放大電路放大后）作為計算機系統(tǒng)的輸入信號，經模/數(shù)轉換后與計算機內部的溫度數(shù)字量進行比較，從而得出偏差信號，偏差信號再經過單片機8051CPU進行達林算法處理后將運算結果送往數(shù)/模轉換器，將轉換結果送給溫度調節(jié)器，使之產生相應的動作，從而達到控制被控對象溫度的目的。

17、六、程序流程圖6.1 主程序流程圖主程序采樣值形成？初始化否清采樣標志查表和對應溫度溫度值送AD574AA/D轉換值送8051達林算法得控制量啟動DAC1208轉換轉換值送溫度調節(jié)器器是圖六 主程序流程圖6.2子程序流程圖讀A/D轉換結果置采樣標志位中斷返回采樣周期已到？重置采樣值定時值啟動AD574A中斷返回是否啟動AD574A讀模擬輸入量A/D轉換轉換結果送8051A/D轉換子程序返回達林算法結果送P1口啟動DAC1208D/A轉換轉換結果送溫度調節(jié)器D/A轉換子程序返回中斷子程序中斷子程序(a)(b)(c)(d)圖七 子程序流程圖7、 參考文獻 豆丁網(wǎng)、百度文庫相關資料計算機控制技術 華

18、南理工大學出版社 黃道平 溫鋼云計算機系列課程實驗指導 華南理工大學 曾琪琳 梁佑彬自動控制原理 華南理工大學出版社 高國燊 余文烋 彭康擁單片機原理及應用實驗指導書，史步海等編著，華南理工大學教材供應中心單片機原理及其接口技術，胡漢才編著，清華大學出版社MATLAB與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及CAD，黃道平編著，化學工業(yè)出版社八、心得體會 我覺得課程設計是一個很好地檢測我們的學完一門課程的實踐活動，每完成一次課程設計，我都對相應的課程有更加深刻的理解，并且自己的動手能力、實踐能力都得到一定的提升。這次的計算機控制技術課程設計也一樣，經過這次的實踐，我體會良多！ 這次的計控課程設計時間不多，老師的面對面指導也不多，因為時間較緊，所以這次的課程設計比以前的課程設計更加具有挑戰(zhàn)性。因為很多東西都需要我們獨立完成，所以，在這一過程中，就有更多的“遇到問題，解決問題。”的過程，更加考驗我們的獨立學習能力。很多東西都需要我們自己上網(wǎng)查找資料，并且查閱各種參考文獻。在這一過程中，我體會到，原來查找資料都是一門高深的學問，需要快速、準確地在資料堆里面找到你想查閱的東西不是一件簡單的事情。經過這次的課程設計，我感覺自己查找資料方面的能力也有了很大的提升。 這次的設計中，必須