電橋計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)正文

1、 基于simulink仿真的計(jì)算機(jī)水溫控制系統(tǒng)指導(dǎo)老師： 邢航老師 年級(jí)專業(yè) 10自動(dòng)化4班 姓名學(xué)號(hào) 沈澤棍201030460423劉文杰201030460420譚開(kāi)揚(yáng)2010304604242013 年 12 月 06 日題目及要求設(shè)計(jì)題目：基于simulink仿真的計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：假設(shè)被控溫度對(duì)象為1/(2s+1)，選擇Pt100熱電阻測(cè)溫，A/D轉(zhuǎn)換器為8位，設(shè)定溫度200C，設(shè)計(jì)最少拍無(wú)紋波控制器設(shè)計(jì)要求：1、分別在8位和16位cpu下選擇不同的采樣周期1s,20s,60s觀察其性能；2、自行選擇熱電阻電橋參數(shù)；目 錄1仿真系統(tǒng)描述12仿真系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)12.1熱電偶橋式

2、電路模塊12.1.1熱電阻橋式測(cè)溫電路12.1.2Pt100鉑熱電阻測(cè)溫特性12.1.3鉑熱電阻電橋測(cè)溫電路仿真模塊的設(shè)計(jì)22.2標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊32.2.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換原理32.2.2標(biāo)度轉(zhuǎn)換仿真模塊的設(shè)計(jì)32.3最少拍無(wú)紋波控制器模塊42.4仿真系統(tǒng)總圖53.仿真波形及波形分析53.1仿真波形53.2波形分析94實(shí)驗(yàn)與調(diào)試105總結(jié)與心得10參考文獻(xiàn)11附錄121仿真系統(tǒng)描述本系統(tǒng)在simulink上進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的仿真，溫度探測(cè)元件為熱電阻，被控對(duì)象為1/(2s+1)。控制器是本小組經(jīng)過(guò)計(jì)算自行設(shè)計(jì)的最少拍無(wú)紋波控制器。仿真系統(tǒng)總原理圖如圖1所示。給定溫度t給定溫度t采樣開(kāi)關(guān)最少拍無(wú)紋波控制器

3、D/A熱電阻A/D圖1 仿真系統(tǒng)總原理框圖2仿真系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)2.1熱電阻橋式電路模塊2.1.1熱電阻橋式測(cè)溫電路根據(jù)題目要求，采用Pt100鉑電阻測(cè)量輸出溫度。熱電阻電橋測(cè)溫電路如圖2所示。電路中R=100，E=5V，。2.1.2 Pt100熱電阻的測(cè)溫特性Pt100鉑電阻適用于-200850全部或部分范圍內(nèi)測(cè)溫，其主要特征是測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)751-1983規(guī)定，Pt100鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系為在-2000攝氏度內(nèi)，有在0850范圍內(nèi)，有式中， QUOTE ； QUOTE ； QUOTE ； QUOTE （0時(shí)的電阻值）。圖2 熱電阻電橋測(cè)溫電路 2.1.3鉑熱電阻

4、電橋測(cè)溫電路仿真模塊的設(shè)計(jì)由于仿真系統(tǒng)的輸出是溫度值，需要先將溫度值先轉(zhuǎn)化為鉑熱電阻的電阻值。其轉(zhuǎn)換模塊和封裝圖如圖3所示。圖3 輸出溫度值轉(zhuǎn)化為鉑熱電阻值模塊及其封裝圖鉑熱電阻測(cè)溫電路仿真模塊及其封裝圖如圖4所示。圖4 鉑熱電阻測(cè)溫電路仿真模塊及其封裝圖2.2標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能識(shí)別模擬量，所以需要將鉑熱電阻電橋測(cè)溫模塊的輸出電壓 QUOTE 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以需在其輸出端后接一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器。2.2.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換原理經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器出來(lái)的數(shù)字量只是一段數(shù)字代碼，并不是我們工程上經(jīng)常用的帶量綱的值（在本仿真系統(tǒng)中為溫度t）。所以需要對(duì)數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成帶量綱的值。

5、本仿真系統(tǒng)將鉑熱電阻的溫度t與阻值R、電壓U以及對(duì)應(yīng)數(shù)字量的關(guān)系（見(jiàn)附表1）曲線進(jìn)行分段線性化，將其分為0 QUOTE 5、5 QUOTE 10、10 QUOTE 15、15 QUOTE 20、20 QUOTE 25五段直線，近似求出數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的溫度值。線性變換公式如下：上式中，Y表示參數(shù)測(cè)量值； QUOTE 表示參數(shù)量程最大值； QUOTE 表示參數(shù)量程最少值； QUOTE 表示 QUOTE 對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的輸入值； QUOTE 表示量程起點(diǎn) QUOTE 對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的輸入值；X表示測(cè)量值Y對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。2.2.2標(biāo)度轉(zhuǎn)換仿真模塊的設(shè)計(jì)0 QUOTE 5的標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊如圖及總

6、的轉(zhuǎn)換模塊封裝圖如圖5所示。圖5 0 QUOTE 5標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊及總的標(biāo)度轉(zhuǎn)換模塊封裝圖 2.3最少拍無(wú)紋波控制器模塊最少拍無(wú)紋波控制器只能輸入離散值，所以應(yīng)在輸入端前接采樣開(kāi)關(guān)對(duì)誤差進(jìn)行采樣，但由于是仿真系統(tǒng)，該采樣開(kāi)關(guān)可以用零階保持器代替。根據(jù)題目意思，采樣周期分別為1s、20s和60s。最少拍無(wú)紋波控制器的設(shè)計(jì)如下：因?yàn)檩斎霝殡A躍信號(hào)，所以采樣周期為T(mén)；當(dāng)T=1s時(shí)，當(dāng)T=20s時(shí)，當(dāng)T=60s時(shí)，由于最少拍無(wú)紋波控制器的輸出為離散值，而被控對(duì)象的輸入為連續(xù)信號(hào)，所以需要在最少拍無(wú)紋波控制器的輸出端后接D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。2.4仿真系統(tǒng)總圖仿真系統(tǒng)總圖如圖6所示。圖6 仿真系統(tǒng)總圖

7、3仿真波形及波形分析 本仿真系統(tǒng)的設(shè)定溫度為20。3.1仿真波形8位CPU時(shí)，采樣周期為1s時(shí)的仿真波形如圖7所示；采樣周期為20s時(shí)的仿真波形如圖8所示；采樣周期為60s時(shí)的仿真波形如圖9所示。16位CPU時(shí)，采樣周期為1s時(shí)的仿真波形如圖10所示；采樣周期為20s時(shí)的仿真波形如圖11所示；采樣周期為60s時(shí)的仿真波形如圖12所示。圖7 8位CPU采樣周期為1s的仿真波形圖8 8位CPU采樣周期為20s的仿真波形圖9 8位CPU采樣周期為60s的仿真波形圖10 16位CPU采樣周期為1s的仿真波形圖11 16位CPU采樣周期為20s的仿真波形圖12 16位CPU采樣周期為60s的仿真波形8位

8、CPU時(shí)，不同采樣周期的仿真波形對(duì)比圖如圖13所示。16位CPU時(shí)，不同采樣周期的仿真波形對(duì)比圖如圖14所示。圖13 8位CPU不同采樣周期的仿真波形對(duì)比圖圖14 16位CPU不同采樣周期的仿真波形對(duì)比圖3.2波形分析將上面8副仿真波形圖進(jìn)行對(duì)比。可知，本仿真系統(tǒng)的控制波形不會(huì)因CPU的位數(shù)不同而有差異。但將不同采樣周期的仿真波形進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)采樣周期為1s的波形圖，上升速度很快，很快達(dá)到了設(shè)定溫度。而采樣周期為20s和60s的波形圖基本重疊，可知，采樣周期越短，系統(tǒng)的控制效果越好。而采樣周期到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，控制效果的差異不明顯。4實(shí)驗(yàn)與調(diào)試在整個(gè)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本小組遇到的最大難題就是在

9、熱電阻橋式測(cè)溫電路設(shè)計(jì)這一部分。遇到的問(wèn)題有兩個(gè)：1.由于Pt100鉑熱電阻阻值并不是線性變化的，而是一個(gè)二次曲線鉑熱電阻在約24處也有一個(gè)極值。但還好課題要求的溫度是20，因此我們選用0 QUOTE 25的量程，避免了極值的影響，并提高了系統(tǒng)的精度；2. 在橋式電路的電壓轉(zhuǎn)化中，電壓公式為，但在系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象。但本小組考慮到Rt最大值為104.759728（參考附表1），與R相近，因此用2R代替Rt+R。5總結(jié)與心得和之前的課程設(shè)計(jì)一樣，剛開(kāi)始的時(shí)候，我們組的組員都摸不著頭腦。將學(xué)到的知識(shí)用到實(shí)際的系統(tǒng)中去，是中國(guó)絕大部分大學(xué)生都會(huì)感到頭痛的問(wèn)題。但經(jīng)過(guò)翻查教材，上網(wǎng)搜集資料和班

10、里同學(xué)相互請(qǐng)教的過(guò)程后，我們的課程設(shè)計(jì)就慢慢有了進(jìn)展，而當(dāng)我在此刻寫(xiě)下總結(jié)與心得的時(shí)候，我們也漂亮的完成了我們的課程設(shè)計(jì)任務(wù)。我覺(jué)得，和做其他很多事情一樣，課程設(shè)計(jì)也不會(huì)是一帆風(fēng)順的，我們會(huì)遇到各種不同的問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)努力，問(wèn)題一定會(huì)得到解決，而且這樣一個(gè)不斷遇到問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，會(huì)使我們的能力在不知不覺(jué)間不斷的增強(qiáng)，我們的收獲也會(huì)越來(lái)越多。而生活也同樣是這種，只有不斷努力地客服接踵而至的困難，我們才能更深地體驗(yàn)生活。參 考 文 獻(xiàn)高金源，夏潔.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M.北京：清華大學(xué)出版社，2007.薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.附錄附表1 Pt鉑熱電阻溫

11、度與阻值、輸出電壓和A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的關(guān)系tRt=R*(1+A*t+B*t2)Uo=(Rt-R)*E/(4*R)D(adc的值)分段線性化01000001100.3827820.00478477520.51673866192100.7495240.0093690540.17374909383101.1002260.01375282558.97103131574101.4348880.017936176.9085853765101.753510.02191887593.98641107956102.0560920.02570115110.2045086109.67102.3426340.0

12、29282925125.562878124.28102.6131360.0326642140.0615191138.89102.8675980.035844975153.7004319153.410103.106020.03882525166.479616616811103.3284020.041605025178.399073117812103.5347440.0441843189.458801318813103.7250460.046563075199.658801319814103.8993080.04874135208.999073120815104.057530.050719125217.479616621816104.1997120.0524964225.1004319223.817104.3258540.054073175231.8615191229.618104.4359560.05544945237.762878235.419104.5300180.056625225242.8045086241.220104.608040.0576005246.986411124721104.6700220.058375275250.3085853248.622