(整理)具有一階純滯后環(huán)節(jié)設(shè)計

1、目錄第一部分設(shè)計任務(wù)及方案1、設(shè)計題目及要求2、設(shè)計方案分析論證第二部分方案各模塊分析1、被控對象分析2、測量元件熱電阻及前置放大電路3、 A/D 轉(zhuǎn)換器4、控制器(單片機)5、光隔驅(qū)動器第三部分?jǐn)?shù)字控制器D(Z)的設(shè)計1、數(shù)字控制器D(Z)2、程序流程圖設(shè)計第四部分可靠性和抗干擾性的分析第五部分心得體會一、設(shè)計任務(wù)及方案1.1設(shè)計題目及要求1、針對一個具有大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié) (G(s) = Ke力/(Ts +1)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);要求測量范圍 -50 C200 C,測量精度 0.5%,分辨率0.2 C；2、書面設(shè)計一個

2、計算機控制系統(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編寫程序流程圖；4、用MATLAB和SIMULINK 進行仿真分析和驗證；對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C),rand( 'state' ,C), T=rand(1),考慮日=0 或 T/2 兩種情況。C 為學(xué)號的后 3 位數(shù)，如 C=325 , K=115.7 , T=0.9824 , 0 =0 或 0.4912。5、進行可靠性和抗干擾性的分析。1.2設(shè)計方案分析論證從設(shè)計要求分析，我們設(shè)計一個基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)即可達(dá)到設(shè)計要求。整個系統(tǒng)以單片機(控制器)為核心

3、，選用光隔驅(qū)動器驅(qū)動電熱絲加熱，由熱電阻PT100檢測然后經(jīng)過前置放大電路輸入A/D轉(zhuǎn)換器，控制器。以此構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度能根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)。圖1方案總體框圖二、方案各模塊分析2.1 被控對象分析大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié)(G(s) = Ke /(Ts 1)對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C),rand('state' ,C), T=rang(1),考慮8 =0或T/2兩種情況C 為學(xué)號的后 3 位數(shù)，如 C=325, K=115.7 , T=0.9824 ,。=0 或 0.4912 現(xiàn)取C=359,由MATLAB計算得：c=359;K=10*log(c*c

4、-sqrt(c)rand('state',c);T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510 日=0 或 0.0255或 117.70.051s - 10.0255 s117.7e0.051s 1所以G(s)=2.2 測量元件(熱電阻)電路及前置放大電路2.2.1 測量元件選型測量元件選用熱電阻，熱電阻溫度計是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性 來進行溫度測量的。 作為測溫敏感元件的電阻材料，要求電阻與溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系，溫度系數(shù)大，電阻率大，熱容量小。在整個測溫范圍內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性質(zhì)，而且電阻與溫度之間關(guān)系復(fù)現(xiàn)性要好。常有的

5、熱電阻材料有鉗、銅、饃。成型儀表是鎧裝熱電阻。鎧 裝熱電阻是將溫度檢測原件、絕緣材料、導(dǎo)線三者封焊在一根金屬管內(nèi)，因此它的外徑可以做得較小，具有良好的機械性能，不怕振動。同時具有響應(yīng)時間快、時間常數(shù)小的優(yōu)點。鎧 裝熱電阻除感溫元件外其他部分都可制纜狀結(jié)構(gòu)，可任意彎曲，適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)場合中的溫度測量。熱電阻在化工生產(chǎn)中應(yīng)有最廣泛。它的優(yōu)點：測量精度高；再現(xiàn)性好，又保持多 年穩(wěn)定性、精確度；響應(yīng)時間快；與熱電偶相比不需要冷端補償。缺點是：價格比熱電偶貴；需外接電源；熱慣性大；避免使用在有機械振動的場合。熱電阻具體選型本系統(tǒng)選擇了PT100,溫度傳感器 PT100是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉗絲熱

6、電阻傳感器，可以工作在 -200 C至650c的范圍。本系統(tǒng)要求測量的范圍是 -50 C200 ,所以足夠滿足測量要求。PT100參數(shù)介紹：Pt100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：1)測量范圍：-200 C+850 C;2)允許偏差值： A 繳土 (0.15+0.002t) |, 8級± (0.30+ 0.005 1 t) 1;3)最小置入深度：熱電阻的最小置入深度> 200mm4)允通電流 < 5mA o另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點。鉗熱電 阻的線性較好，在 0100攝氏度之間變化時，最大非線性偏差小

7、于0.5攝氏度。2.2.2 測量電路及前置放大電路由于PT100溫度傳感器輸出是 mV級別，所以需要經(jīng)前置放大電路后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。圖2傳感器電路R2、R3、R4和Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電 橋的輸入電壓通過 TL431穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片 機。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻R3,通過調(diào)節(jié) R3可以調(diào)整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點。放大電路采用LM358集成運算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖2所示，前一級約為 10倍，后一級約為3倍。溫度在0100度變化

8、，當(dāng)溫度上升時，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓Av對應(yīng)升高。注意：雖然電橋部分已經(jīng)經(jīng)過 TL431穩(wěn)壓，但是整個模塊的電壓 VCC 一定要穩(wěn)定， 否則隨著VCC的波動，運放 LM358的工作電壓波動，輸出電壓 Av隨之波動，最后導(dǎo)致 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果波動，測量結(jié)果上下跳變。2.3 A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)要求測量范圍-50 C200 C ,測量精度0.5 % ,分辨率0.2 C。所以選取 250/2048=0.122 C, A/D轉(zhuǎn)換器12位才能滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)選取12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574 ,主要性能如下：1）分辨率：12位2）非線性誤差：小于土 1/2LBS或

9、± 1LBS3）轉(zhuǎn)換速率：25us4）模擬電壓輸入范圍：0 10V和020V, 0 ± 5V和0 ± 10V兩檔四種5）電源電壓：± 15V和5V6）數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位7）芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式5AD 父 4AjacsAQRCCEvccREFACREF宙BIPIOV20 VINDB11 DB1C DB9DBS燈57 4 IB -Q dddddddd-dISu?VPI.0CT2) PI ICT2E?PlJPl.3FMP1.5CMC5 Pl.fiCMISt PI 7fSCK：16pi”15pr-3143U10=加1 5 3標(biāo)一收P3

10、 2標(biāo)P3 5CT1)NCTOJ圖3 A/D轉(zhuǎn)換器部分電路P1.0CT2)(ADOJPOOpucnEX)(AD1JP01Pl.lPIJ(ADl)n.3P1.4(A£M)W.4PL5(XfOSI)(AD5JW.5(ALWW.6PL 呼 k)(AD7JPC.7PJ.3CIXT1)(A8)P2.0P3.2(1NTO)(A9)P2J(AIO'WP3.5J1)(A1I)R.3P3.4CT0)(A12JP2.4(A13)K.i久VHP(A14)P2.#(AlPZ.7XTAL1XTAL2vccGNDRST(RXEWXO：TXD)P3.1P3.?lED：iALE PROGPWR)PSENAT

11、89S52PIT L2.4 控制器（單片機）本系統(tǒng)采用AT89S5配夠滿足系統(tǒng)需要，不必外接 RAM RO極端口擴展。主要性能：1）與MCS-5俾片機產(chǎn)品兼容 2）28K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash 3）1000次擦寫周期 4）全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 5）三級加密程序存儲器 6）32個可編程I/O 口線 7）三個16位定日寸器/計數(shù)器 8）八個中斷源 9）全雙工UARTM亍通道 10）低功耗空閑和掉電模式 11）掉電后中斷可喚醒 12）看門狗定時器 13）雙數(shù)據(jù)指針 14）掉電標(biāo)識符 功能特性描述：AT89S5配一種低功耗、高性能CMOS8微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。 使

12、用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使彳# AT89S5劾眾多入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52M有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash , 256字節(jié)RAM 32位I/O 口線，看門狗 定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU?止工作，允許RAM

13、定日寸器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電圖4單片機控制器保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬 件復(fù)位為止。2.5 光隔驅(qū)動器（PWM控制）單片機通過算法運算， 得出控制信號，通過程序轉(zhuǎn)換成脈寬可調(diào)的脈沖信號，然后經(jīng)過DAX驅(qū)動光隔驅(qū)動器，改變脈沖信號的脈寬則可達(dá)到控制電熱絲導(dǎo)通時間的目的，從而按需要改變溫度。光隔驅(qū)動的作用在于使主電路與二次回路（控制回路）絕緣，保護控制電路。圖6整機電路圖圖5光隔驅(qū)動2.6 整機電路圖壯1 6 制1.CCBVH?WWT 電 WX12UOFF WW 劉中LI PHB-P-5 匚FLb72X|做網(wǎng)。 討小月PK煙網(wǎng)：為

14、J為.*RXUOE'I：心網(wǎng) 叫 陽翻3 ：A3fWf.三 .內(nèi)3%再黛即1： 刃那愷1用雷D涉皿Q刖般1刃g(shù)碎+ 制的: 的蚣。（AHJK.7X仙 1 3ZTAL2III皿用口 (TW31 ALlPIOd-刃.!岑 就父國三、數(shù)字控制器D(Z)的設(shè)計3.1控制器D(Z)的設(shè)計/ /_0.0255s/ /117.7e117.7由題有G(s尸或0.051s 10.051s 11)當(dāng)日=0時，由MATLAB 經(jīng)M文件編譯n1=117.7;d1=0.05 1;g1=tf(n1,d1); np,dp=pade(1,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin

15、(g0)Bode Dm gram Gm 一 Inf v Pm - &0.5 deg (at 2：.3S«r-*-003 ra-d/sec由圖可知系統(tǒng)幅值裕度太大，相角裕度>90deg,不符合設(shè)計要求。由G(s)得：z-1,1117.7,46.256z-G (z) =ZGh(s)G0(s)尸 Z=z s(0.05s 1)1 -0.607z 1H(z) 0.022 1 -0.607z又 H(z尸 Z , D(z)=H(z=G(z)1 -H(z)1-z由MATLAB經(jīng)SIMULINK仿真得：Out1所得BODE圖為:Bode DiagramSystem： sysFrequen

16、cy (r時四ec)： 126Phase fdeg)： -180序 31 - 靠eqd102103Frequency (rad/sec)由圖分析得系統(tǒng)相角裕度7 = 60%幅值裕度Lg=6.06dB ,故D(Z)滿足設(shè)計要求。無需在添加比例調(diào)節(jié)器。2)當(dāng)日二T/2時，由MATLAB 經(jīng)M文件編譯n1=117.7;d1=0.05 1;g1=tf(n1,d1);tau=0.025;np,dp=pade(tau,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)得出G(s)系統(tǒng)波特圖Bode 口ggiraiECm -一了 d日(at 74.3 rsd/see)

17、B Rm - 102 deg (at 2rad/sec)Frequency (rsdysj&c)由圖可知系統(tǒng)幅值裕度太大，相角裕度>90deg,不符合設(shè)計要求。而純滯后 =T/2,所以控制器的設(shè)計選用達(dá)林算法。算法如下：系統(tǒng)廣義對象 G(z) = ZGh(s)G0(s) = Kz,L1) J：1 _ 0 1 z數(shù)字控制器 D二（1 - 二）（1-z）K(1- 二 1)1-lz-(1- 二)z-(L 1)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)H （s）=T （T為期望閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)）s 1其中：9 = lT (T 為采樣周期 T= (1/21/10) Tm, T=0.025 )尸 =e",

18、仃1 =e1/T1, 一般地，t =（i/2i/3）孫，可以兼顧系統(tǒng)性能和響應(yīng)的快速性。代入計算得本系統(tǒng)的參數(shù)值：T= 0.025,T1 =0.05K=117.7日=0.025, L= 0 /T=1T = 1/2 X T1 = 0.025二.一 =ei/ =0.368_二/ 1 c “r1 = e = 0.607所以求得：控制器2G(Z)= kz,l1)4二1-0 1Z1 -0.607zD(1fZ)1)1 一二Z-(1 - -)Z 4L1)-=0.0137 1 -0.607zJ1 -0.368z,-0.632z'如圖所示為系統(tǒng)D（z）的simulink仿真圖:1GainDiscrete FiltnerlDiscrete FilterOut1所得波特圖如