計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、 計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告選題加熱爐溫度控制系統(tǒng)學 院工學院專業(yè)名稱自動化班 級11-1學 號111044108姓 名陳曦指導教師闞江明職 稱副教授計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告選題：電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)實驗小組成員：王軍、陳曦一、題目內(nèi)容介紹：1. 工業(yè)用電阻加熱爐用電爐絲提供功率，實驗中采用PLC-18溫度的控制和傳送實驗掛箱，使其在預定的時間內(nèi)將玻璃管內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。本控制對象脈寬變送部分輸入電壓為010V控制加熱裝置，內(nèi)部溫度傳感器輸出信號后由掛箱內(nèi)電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?10V，對應(yīng)0100攝氏度，采用雙向可控硅進行控制。2. 以MSP430F149處理器作為控制中心，獨立

2、完成控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計。3. 基本功能要求：（1） 選擇適當?shù)膫鞲衅骱涂刂茍?zhí)行部件，計算機輸出的控制信號控制可控硅的工作狀態(tài)，從而控制爐內(nèi)溫度；（2） 要求控制溫度范圍0100攝氏度，控制精度1攝氏度；（3） 具有鍵盤和LED/LCD顯示功能，便于進行設(shè)定溫度等參數(shù)的設(shè)定和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示；（4） 控制算法采用標準/改進數(shù)字PID算法，進行控制性能比較。4. 主要任務(wù)：（1） 在MATLAB/Simulink環(huán)境下完成控制系統(tǒng)建模和數(shù)字控制器設(shè)計工作，控制算法采用標準/改進數(shù)字PID算法，進行控制性能比較；（2） 在Protel環(huán)境下完成控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計；（3） 完成控制軟件程序的設(shè)計，

3、要求編譯通過即可，注意軟件設(shè)計中的模塊化設(shè)計方法。二、硬件模塊設(shè)計方案1、單片機開發(fā)板硬件資源介紹如下:01.主芯片MSP430F149 最小板,可撥插,方便更換;02.板載USB 下載器,一根USB 線就可以下載程序;對于筆記本電腦客戶不需要一定要購買仿真器才能下載.此模塊也可能通過杜邦線連接單片機實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口通訊;03.電源模塊,輸入電源為直流812V 或者USB 的5V電源,可輸出5V 和3.3V 電壓,電源引腳都已出來,方便實驗時外擴;04.8 位LED 發(fā)光管,可做流水燈實驗及燈指示實驗;05.8 位數(shù)碼管顯示模塊,可實驗數(shù)碼管顯示和指示實驗;06.用MAX232 實現(xiàn)兩路串口

4、通訊,可做串口通訊,實現(xiàn)上位機和下位機的通訊及控制;07.MAX485 芯片,實現(xiàn)485 通訊實驗;08.4*4 點陣按鍵,實現(xiàn)點陣掃描實驗;09.4 位獨立按鍵,實現(xiàn)普通按鍵IO 輸入及中斷實驗;10. ULN2003 芯片,實現(xiàn)步進電機和直流電機驅(qū)動控制實驗;11.SN74LVC4245 芯片,實驗3.3V 電平向5V 電平的轉(zhuǎn)換實驗;12.DS1302 芯片,實現(xiàn)實時鐘實驗,板載有給DS1302 供電的電池,保正DS1302 的時間連續(xù)性,不隨主板的斷電而停止了工作;13.AT24C02 芯片,實現(xiàn)E2PROM 的存儲和讀取,通過I2C 總線去實驗;14.DSC5571 芯片,實驗DA

5、轉(zhuǎn)換實驗;15.兩路AD 輸入,實驗AD 轉(zhuǎn)換實驗;16.一體化紅外接收頭,實驗紅外接收解碼實驗;17.一個復位按鍵,可給單片機復位;18.一路可接入高壓控制的繼電器,實現(xiàn)繼電器控制實驗;19.一路蜂鳴器實驗,可實現(xiàn)發(fā)聲.報警實驗20.板載四路常用的無線模塊接口,包括NRF905,CC1100,NRF24L01.NRF2401A 無線模塊.可實驗無線數(shù)傳,無線控制等實驗;21.PS2 鍵盤輸入接口,可實現(xiàn)鍵盤輸入實驗;22.板載有1602 和12864 液晶接口,可實驗1602 和12864 液晶顯示實驗;23.萬能擴展接口,可接本店開發(fā)的點陣漢字顯示模塊,語音模塊,彩屏模塊,傳感器擴展模塊等

6、;24.標準的JTAG 接口,可實現(xiàn)仿真器通過此接口對主芯片實現(xiàn)在線調(diào)試和下載;25.主芯片的所有引腳IO 都已外引,焊好了排針,方便擴展實驗及自己DIY 實驗;本開發(fā)板的所有模塊都是獨立設(shè)計的,和主芯片相互之間都是通過跳線帽來連接;它的電路圖如圖還有闞老師借給我們的溫度檢測與控制模塊，實物圖如下：由于單片機電壓為03.23V，掛箱電壓為010V，故中間還需要電壓變換電路。其電路圖如下：具體實物連接如下圖：三、實驗所需軟件介紹我們編程時使用的IAR軟件全稱 IAR Electronic Workbench for MSP430 3.42A這個軟件是一款非常優(yōu)秀的 IED 開發(fā)環(huán)境，具有強大的編

7、譯能力和調(diào)試功能，用熟用好這個軟件，這對我們有效開發(fā) MSP430 單片機是十分必須的。更多的關(guān)于 IAR 軟件的使用資料可以參考軟件自身Help中的幫助文檔，這些資料是學習這個軟件的最好素材。比較實用的一點是主界面左下角有個Function虛擬按鍵，可以通過列表方便的查找到對應(yīng)標簽處的功能程序，在一些比較長的程序修改和閱讀中很有作用。BSL下載器主要用于燒錄文件。使用方法如下：打開IAR，找到編譯好的工程文件，在屬性中生成他的對應(yīng)txt文件，再打開BSL下載器下載對應(yīng)txt文件，選擇正確串口和芯片類型，點擊執(zhí)行就可以了。四、編程中遇到的難點與解決辦法編程主要由王軍同學負責，我在旁協(xié)助。剛開始

8、連接好電路，設(shè)置串口，遇到最大的一個問題是鍵盤、顯示、蜂鳴器在一起編程，如何避免時鐘混亂，如何確保鍵盤按鍵和顯示的實時反應(yīng)。我們逐個分析各個串口的作用，避免混用。另外，我們將按鍵的掃描提前到顯示刷新程序之前，確保了按鍵有動作，顯示會立馬跟上反應(yīng)。在單片機板的顯示上，我們編程實現(xiàn)了8位數(shù)碼管的左三位顯示的是設(shè)定值，右三位顯示的是實際測量溫度值，中間加入兩個分隔符，如圖。最終，我們的程序流程圖如下：五、控制算法仿真及分析1、開環(huán)系統(tǒng)仿真測量并繪制出開環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，求出開環(huán)傳遞函數(shù)，使用Matlab里的Simulink工具進行建模仿真。以上求出的是開環(huán)傳遞函數(shù)，利用Simulink仿真，將一

9、個33.6的階躍信號加到該對象上，然后根據(jù)仿真與實際所測得曲線整定實際開環(huán)傳遞函數(shù)得 。根據(jù)實際傳遞函數(shù)建立仿真圖，進行仿真對比。2、閉環(huán)負反饋仿真：階躍為20時如下圖：階躍為40時如下圖：階躍為60時如下圖：3、 標準PID仿真kp=3時如圖：kp=3,ti=600時如圖：六、實驗具體過程以及實驗結(jié)果在這個過程主要介紹PID+開關(guān)控制調(diào)節(jié)對系統(tǒng)控制產(chǎn)生的影響及其實驗步驟。main程序PID控制程序段中，將比例環(huán)節(jié)參數(shù)kp調(diào)整為3，其他不變即ti=9999,td=0。編譯程序通過后打開BSL軟件，設(shè)置為正確串口,裝在燒錄文件即main.c文件，與單片機連接后點擊執(zhí)行，等待單片機燒錄文件。在文件

10、燒錄過程中，單片機板左上角LED等會閃爍，表示正在燒錄，若燈不閃爍則表示燒錄出現(xiàn)錯誤，則需要重啟單片機再次連接電腦。燒錄完成后，用手機對準實驗掛箱顯示數(shù)碼管開始錄像，此時數(shù)碼管顯示的此時室溫。這時需要快速用鍵盤錄入溫度設(shè)定值（70攝氏度，設(shè)定方式：連續(xù)按最左上角鍵盤7次）。設(shè)定完后數(shù)碼管顯示值就開始從室溫開始上升，大約三分三十秒后上升到70攝氏度左右，然后顯示值會在70攝氏度左右波動，大約六分鐘時停止實驗，關(guān)閉試驗箱和單片機，結(jié)束錄像。制作表格如圖為了出圖效果更好，我們在溫度上升過程中設(shè)定每30秒采樣一次，在達到設(shè)定值70攝氏度后，每6秒采樣一次，如果波動特別頻繁且變化幅度小則適當縮短采樣時間

11、。因為實驗掛箱顯示的電壓值010V對應(yīng)的是0100攝氏度，所以在Excl表格中測量溫度一列中可以直接編寫程序，使這一列的數(shù)據(jù)直接由讀得電壓顯示值乘以10得到。將手機視頻通過USB導入電腦后，定格在剛開始錄入設(shè)定值的畫面，調(diào)節(jié)快進幅度為每次快進30秒，每快進一次，填入對應(yīng)讀數(shù)一次。在溫度達到設(shè)定值70攝氏度后，調(diào)節(jié)快進幅度為每次快進6秒，同樣對應(yīng)填入數(shù)據(jù)。最終得到一個采樣的溫度隨時間變化表格，再由Excl自帶功能選擇橫坐標為時間，縱坐標為溫度，設(shè)定值和測量值隨時間變化的曲線。注重觀察表格中測量值的偏離幅度，觀察曲線在達到設(shè)定值后的變化曲線。此時可以看出，無論是系統(tǒng)控制速度還是精度都已經(jīng)達到了要求

12、，但是在這之前我們小組是付出了很多努力的。按照上面介紹的這種實驗方法我們進行了許多試驗。1、 開環(huán)控制可以看出開環(huán)控制是完全達不到控制要求的，最終穩(wěn)態(tài)偏離了6.3攝氏度，沒有達到控制精度。2、 閉環(huán)負反饋控制此時階躍為20，精度方面基本能達到要求，但是控制時間過長，導致溫度很慢才能達到設(shè)定值。下面分別為階躍40和60的情況：均遠遠不能達到實驗要求。3、 標準PID控制在這里我們根據(jù)經(jīng)驗法求出的比例、積分、微分系數(shù)范圍，逐個嘗試不同數(shù)值，以下是系統(tǒng)控制狀況較好的系數(shù)取值和所得控制曲線圖。首先是kp=3,ti=9999,td=0的情況：同樣，精度要求可以滿足，但是控制調(diào)節(jié)時間過長，以至于溫度很難達

13、到設(shè)定值。而下面兩種情況，第一個是增加了I調(diào)節(jié)和IP調(diào)節(jié)，取值分別為ti=600,td=150,?？梢娫谔砑覫調(diào)節(jié)后，溫度控制曲線得到明顯改善，精度也控制在0.3攝氏度，調(diào)節(jié)速度也很快，只是曲線有明顯的震蕩，周期較長，不能很好地吻合曲線。而再增加D調(diào)節(jié)后，溫度上升很慢，不滿足實際需求。4、 PID+開關(guān)控制在程序中表現(xiàn)為當測量溫度與設(shè)定溫度偏差在一攝氏度之內(nèi)，采用PID調(diào)節(jié)；當測量溫度小于設(shè)定溫度超過一攝氏度，則電爐絲全開盡快加熱；當測量溫度大于設(shè)定溫度超過一攝氏度則電爐絲全關(guān)，以盡快降溫。首先取kp=3,ti=9999,td=0，實驗數(shù)據(jù)及表格如圖：此時，實驗效果基本達到要求，加熱速度足夠快

14、，基本消除超調(diào)量，實驗精度也控制在0.4攝氏度。其次，我們還增加了I調(diào)節(jié)，使kp=3,ti=600，td=150，實驗曲線如圖：這是我們小組所有實驗中數(shù)據(jù)和曲線最好的一組，已經(jīng)完全達到要求。最后我們還嘗試了一下增加了D調(diào)節(jié)，下面是使系數(shù)kp=3,ti=600,td=150時所得的數(shù)據(jù)和圖像：圖像又產(chǎn)生了變化，又完全不符合實驗要求。綜上，通過一系列手段修改控制方法和PID調(diào)節(jié)參數(shù)，再通過比較各組數(shù)據(jù)和溫度曲線圖的情況，最終我們得出：用PID調(diào)節(jié)+開關(guān)控制時，kp=3,ti=600,td=0時，控制效果最好。七、總結(jié)在本次課設(shè)中，我的感悟頗深。由于自己在前階段單片機知識學習的不夠深入，編程熟練度比較差，因此在編程時難度比較大。此次課設(shè)鍛煉了我的單片機知識和編程能力。在實驗過程中，我也學會了錄像記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的這種方法，在其中還鍛煉了我的制作表格能力和數(shù)據(jù)統(tǒng)計能力，讓我知道了處理實驗數(shù)據(jù)需要細心和耐心的品質(zhì)。在具體實驗方面，一系列數(shù)據(jù)結(jié)果的對比，讓我更加直觀的了解了各種控制的區(qū)別和特點，特別是調(diào)節(jié)PID系數(shù)對實驗結(jié)果的影響讓我更加加深了對課上知識的理解。特別鳴謝闞江明老師提供的溫度控制與顯示實