計算機控制與接口技術(shù)

1、.二一三二一四學(xué)年第一學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計報告書課程名稱：計算機控制與接口技術(shù)課程設(shè)計班級：自動化1001班學(xué)號： 201004134008 姓名：章琴指導(dǎo)教師：周鳳星二一三年十二月一、設(shè)計題目和設(shè)計要求1. 設(shè)計題目：水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計2. 設(shè)計要求設(shè)計一個水溫控控制系統(tǒng).對象的傳遞函數(shù)：G（s）=-50s,爐子為電爐結(jié)構(gòu).單相交流2220V供電。溫度設(shè)定值：室溫100.可以根據(jù)要求任意調(diào)節(jié)。要求：（1）畫出電路原理圖.包括：給定值、反饋、顯示的電路以及主電路；（2）闡述電路的工作原理；（3）采用對象為大滯后的算法.求出U（k）；（4）畫出閉環(huán)數(shù)字控制的程序框圖。二、設(shè)計任務(wù)分析1

2、系統(tǒng)設(shè)計：該系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、PID控制算法、溫度檢測、鍵盤輸入、溫度顯示、加熱絲功率控制等組成。.典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)通常由下圖（a）所示的幾部分組成.其中調(diào)節(jié)器由微型機來完成。圖（a）溫度控制系統(tǒng)組成框圖.給定信號如何給計算機溫度給定值可以通過計算機鍵盤輸入.鍵盤與單片機連接.也可以通過數(shù)學(xué)表達(dá)式由程序自動設(shè)定.還可以用撥碼盤.一般撥碼盤常用于過程控制的控制柜（化工企業(yè)）。為了便于討論.本設(shè)計假定由人工鍵盤輸入溫度給定值。.溫度的監(jiān)測與調(diào)節(jié)理想的情況是采用A/D轉(zhuǎn)換器作為輸入通道.當(dāng)精度要求不高時.可以半導(dǎo)體熱敏電阻測量溫度.和通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度來實現(xiàn)溫度檢測和輸入。用熱敏

3、電阻也是一種常用的方式。熱敏電阻作為半導(dǎo)體的效果往往決定于環(huán)境和計算機應(yīng)用程序配合的結(jié)果。圖（b）是帶熱敏電阻的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖（b）帶熱敏電阻的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以采用溫度圍為0120的熱敏電阻來構(gòu)成所需要的電路.不用熱電偶的原因是：因為熱電偶在低溫段線性差.它只是在高溫段準(zhǔn)確。2.控制方案本系統(tǒng)中把晶閘管電阻爐溫度變送器統(tǒng)一稱為被控對象。電阻爐系統(tǒng)是個自衡系統(tǒng).可以近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié).傳遞函數(shù)可以表示為：在檢測的基礎(chǔ)上.我們采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)規(guī)律.把爐溫度控制的設(shè)定值與實測值進(jìn)行比較.是靜態(tài)誤差最小。理論分析和實踐證明電阻爐是一個具有自平衡能力的對象.可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)和

4、一個延遲環(huán)節(jié)來近似描述.考慮到零階保持器.系統(tǒng)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖（c）圖（c）系統(tǒng)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖被控對象加上零階保持器的廣義對象傳遞函數(shù)為Gi(s)=×本系統(tǒng)數(shù)字控制器采用增量式PID調(diào)節(jié)器.由增量式PID控制算法可知：Uk=Kek-e(k-1)+ek+( ek-2e(k-1)+ e(k-2) =KPek-ek-1+Kiek+Kdek-2e(k-1)+ e(k-2) 式中：ek本次設(shè)定值與實測值之差三、水溫控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計1.水溫控制系統(tǒng)簡介水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛,分類較多,不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同,其中以PID控制法最為常見。單片機控制部分采用AT89C

5、51單片機為核心.采用軟件編程.實現(xiàn)用PID算法來控制PWM波的產(chǎn)生.進(jìn)而控制電爐的加熱來實現(xiàn)溫度控制。然而,單純的PID算法無法適應(yīng)不同的溫度環(huán)境,在某個特定場合運行性能非常良好的溫度控制器,到了新環(huán)境往往無法很好勝任,甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,需要重新改變 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)值以取得佳性能。2.電路的工作原理：系統(tǒng)采用晶閘管作為功率放大器件.對電阻爐提供可控制功率輸入。溫度經(jīng)過熱敏電阻檢測放大I/V變換A/d轉(zhuǎn)化后送入單片機.在單片機部主機將采樣值和給定值比較后經(jīng)過控制算法計算得到控制量.再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化變成輸出脈沖信號.通過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅.單片機通過改變控制脈沖寬度.即改變了可控硅在一

6、個固定控制周期的導(dǎo)通時間.這樣電阻率的溫度就隨電阻爐的平均輸入功率改變而變化.也就達(dá)到了控溫的目的.同時將零同步信號接到單片機外部中斷輸入端上.在終端服務(wù)程序中進(jìn)行出發(fā)控制和控制周期計數(shù)。另外可以利用串口通訊實現(xiàn)系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控。3.系統(tǒng)的主電路設(shè)計圖(d)為主機系統(tǒng)電路設(shè)計圖。因為這一設(shè)計控制功能一般.對控制精度的要求也不高.程序并不復(fù)雜。所以選用8031作為CPU.選用2732（4KB）作為EPROM。74LS273作低8位地址鎖存器。圖(d) 主機系統(tǒng)電路設(shè)計圖4.系統(tǒng)硬件組成設(shè)計：帶熱敏電阻的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作為溫度信號的輸入通道.輸出通道可采用8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓.在轉(zhuǎn)換成電流信號

7、.控制調(diào)節(jié)閥使得爐溫控制在要求的給定值圍。（1）過零觸發(fā)器脈沖電路圖（e）為過零同步脈沖電路.其作用是在電網(wǎng)電壓的每一個過零點產(chǎn)生一個同步脈沖。圖中TB是同步變壓器比較器將50HZ正弦波信號變成方波信號.異或門在方波的上升沿或者下降沿產(chǎn)生過零同步脈沖.單穩(wěn)觸發(fā)器的作用是對過零同步脈沖信號整形.最后輸出同步脈沖信號Ur圖（e）過零檢測同步脈沖信號（2）晶閘管觸發(fā)器閘管的通斷由計算機通過輸出接口電路控制.見圖（f）,圖中CPU通過數(shù)據(jù)輸出鎖存器發(fā)出晶閘管的通斷控制信號Uk,晶閘管驅(qū)動電路采用雙向可控硅型光電耦合器.它由輸入和輸出兩部分組成.輸入部分為發(fā)光二極管.輸出部分為光敏雙向可控硅在紅外線的作

8、用下可以雙向?qū)?。圖（f）晶閘管觸發(fā)器（3）系統(tǒng)的硬件電路原理圖系統(tǒng)的硬件電路如下圖（g）圖（g）硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖5.采用對象為大滯后算法求出U（k）由G（s）=-50s,閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)如下：將上式代入式中.得當(dāng)對象為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后時將式（1-4）代入式（1-3）得一階慣性環(huán)節(jié)的控制器的D(z)為由上式.控制算法為在本設(shè)計中取T為10s.=10s .那么N為5；其中=100.K為1；代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以算得：則有上式可以得到控制算法為：6.編程實現(xiàn)大林控制算法（選取.可取N=5）。ei=sv-fVoltage;x1=exp(-Ts/T0);x2=exp(-Ts/T1);a0=(1-x1)

9、/(k*(1-x2);a1=x2*(1-x1)/(k*(1-x2);b1=exp(-Ts/T0);b2=1-exp(-Ts/T0);output0=b1*output1+b2*outputN+1+a0*ei-a1*eix;eix=ei;for(int j=N;j>=0;j-)outputj+1=outputj;編程實現(xiàn)消除振鈴現(xiàn)象后的大林控制算法（選取.N=5）。x1=exp(-Ts/T0);x2=exp(-Ts/T1);a0=(1-x1)/(k*(1-x2)*(2-x1);a1=x2*(1-x1)/(k*(1-x2)*(2-x1);b1=1;output0=b1*output1+a0*

10、ei-a1*eix;eix=ei;for(int j=N;j>=0;j-)outputj+1=outputj;7.系統(tǒng)應(yīng)用軟件（程序）的設(shè)計系統(tǒng)軟件部分包括主程序、采樣定時中斷程序、數(shù)字濾波、串口通訊及大林算法運算等。主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務(wù).然后循環(huán)檢測熱電偶檢測的度值.若發(fā)現(xiàn)溫溫度超限. 則斷開控制輸出、屏蔽采用定時中斷.發(fā)出報警信號.并等待溫度降至安全值后重啟。采樣中斷服務(wù)程序完成對溫度的采樣、控制算法、輸出觸發(fā)控制晶閘管導(dǎo)通角。采用定時器中斷.產(chǎn)生控制周期.控制周期一到.程序則轉(zhuǎn)入控制模塊.調(diào)AD轉(zhuǎn)換模塊及熱電偶線性化模塊得到爐溫的反饋信號.根據(jù)給定值和控制算法得到

11、控制量.經(jīng)輸出口輸出脈沖控制過零觸發(fā)器。軟件設(shè)計總體流程圖如（h）所示8.閉環(huán)數(shù)字控制的程序框圖采樣中斷服務(wù)程序完成對溫度的采樣、控制算法、輸出觸發(fā)控制晶閘管導(dǎo)通角。采用定時中斷.產(chǎn)生控制周期.控制周期一到.程序則轉(zhuǎn)入控制模塊.調(diào)AD轉(zhuǎn)換模塊及熱電偶線性化模塊得到爐溫的反饋信號.根據(jù)給定值和控制算法得到控制量.經(jīng)輸出口輸出脈沖控制過零觸發(fā)器。系統(tǒng)采用慣性濾波法. 以消除噪聲干擾。控制器是控制系統(tǒng)的核心.用它完成大林控制算法程序.實現(xiàn)了爐溫的有效控制。大林算法流程圖如圖（i）所示圖（i）大林算法流程圖9.系統(tǒng)的設(shè)計分析與改善在熱工和化工等許多工業(yè)生產(chǎn)過程中.由于被控對象模型的不確定性、參數(shù)隨時間

12、的漂移性以及含有純滯后環(huán)節(jié).因此如果要求控制系統(tǒng)的輸出值在最少拍達(dá)到穩(wěn)態(tài).則不但不能達(dá)到預(yù)期的效果.反而會產(chǎn)生較大的系統(tǒng)超調(diào)和振蕩。這類控制系統(tǒng)對快速性的要求較為次.其主要指標(biāo)是系統(tǒng)無超調(diào)或超調(diào)很小.并且允許有較長的調(diào)整時間。在這條件下.采用純滯后對象的控制算法大林算法往往比較簡單。系統(tǒng)采用慣性濾波法.以消除噪聲干擾.對于含大滯后環(huán)節(jié)的水溫控制系統(tǒng).普通PID控制難以達(dá)到較理想的控制效果.而采用大林算法進(jìn)行控制效果明顯提高。四、課程設(shè)計總結(jié)計算機控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ).以計算機控制技術(shù)為核心.綜合可編程控制技術(shù)、單片機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù).從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)

13、的精密化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科。基于MCS-51單片機的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計。我對其中單片機的應(yīng)用和控制系統(tǒng)的發(fā)展做了主要說明.對系統(tǒng)的人機接口電路.過程通道.以及相關(guān)軟硬件做了主要的設(shè)計。在設(shè)計中.我查閱了大量的書籍和電子資料、認(rèn)真學(xué)習(xí)了相關(guān)知識.并將所學(xué)知識應(yīng)用在設(shè)計中。在做課程設(shè)計的過程中.我對單片機的功能有了更加深入的認(rèn)識.了解到單片機在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起到了舉足輕重的作用；了解了單片機系統(tǒng)在工業(yè)自動化控制過程中的重要作用及其發(fā)展的廣闊前景。在社會信息化程度日益提高的今天.自動化控制已經(jīng)深入到各行各業(yè).單片機與人們的生活愈來愈緊密.有著巨大的市場潛力.需要加大力度開發(fā)。通過本次課程設(shè)計.讓我受益良多。在我學(xué)習(xí)計算機控制的時候.理論