具有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、具體內(nèi)容:1) 自己給出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式2) 自己設(shè)定系統(tǒng)性能指標(biāo)3) 書面設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖4 )硬件布線連接圖轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖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(jìn)行編程和仿真，給出單位階躍函數(shù)的輸出結(jié) 果表8 )進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性的分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)1課程設(shè)計(jì)任務(wù)題目及要求112課程設(shè)計(jì)任務(wù)對象與設(shè)計(jì)的分析論證21.2.1 fefj對象的分析與說明21.2.2被控對象傳遞函數(shù)的確定21.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一敷步嫁和要點(diǎn) 3第二部分設(shè)計(jì)方案42.1設(shè)計(jì)方案分析論證42.1.1控制對象特性分析

2、42.1.2算法選擇62.1.3控制器設(shè)計(jì)62.2系統(tǒng)方框圖142. 2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖142.2.2件結(jié)構(gòu)框圖142.3程序設(shè)計(jì)流程圖 152.3.1主程序流程圖152. 3.2溫度采集流程圖 162.3.3達(dá)林算法及其控制量輸出流程圖 172.4軟件實(shí)現(xiàn)18第三部分電路設(shè)計(jì)193.1器件選型193.1.1控制芯片的選擇193.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇193.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇 203.2溫度檢測電路與整形放大濾波電路203.3 A/D轉(zhuǎn)換電路213.4 D/A轉(zhuǎn)換電路213.5數(shù)碼管顯示電路22第四部分 整機(jī)電路圖 23第五部分 安裝調(diào)試及性能檢測 245.1系統(tǒng)仿真245

3、.2抗干擾性能分析 255.3元件清單27第六部分心得體會28泰考文枝29附程序30第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)1.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)題目及要求題目：只有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:1、針對一個(gè)具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)G(s) =Ke-fsTs+1的溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能抬標(biāo):工程要求相角裕度為30。60。，幅值裕度>6dB要求測量范200七，測屋精度0 5%,分辨率0.TC2、書而設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的碩件布線連接圖，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(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，對象確定：K=10*log(C*

4、C-sqrt(C)>rand( 'state' Q,T=rand(l).考慮0=0或T/2兩種情況。C 為學(xué)號的厲 3 位數(shù)，如 C=325, K=115 7, T =0 5824, 0 =0 或 049125、進(jìn)行可靠性和抗干擾性的分析。第1頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)仁2課程設(shè)計(jì)任務(wù)對象與設(shè)計(jì)的分析論證1.2.1控制對象的分析與說明由所給設(shè)計(jì)任務(wù)可知.本設(shè)計(jì)的控制對象是一個(gè)含有具有大時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)“、Ke'rsG(s)=Ts + 1的系統(tǒng)，而在通常的溫度挖制系統(tǒng)中，控制對象往往就可以視作含有一個(gè)大純時(shí)延時(shí)間的一 階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，故本次計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)則可以以一個(gè)溫度控制系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)：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(shè)定值盡量一致，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)干擾時(shí)能夠 較快地恢復(fù)到設(shè)定值。1.2.2被控對象傳遞函數(shù)的確定根據(jù) K=10*log(C*C-sqit(C), raiidCstate1, C), T=rand(l), 0=0 或 T/2, C 為學(xué)號后 3 位數(shù)的條件，加上本人的學(xué)號為201130613317,故可用MATLAB計(jì)算得：» C=317C =317» K=10*log(C*C-sqrt(C)K =115 1763» randCstate'C)» T=rand(l)T

6、 =0 8470G(s) =115.17630.8470s+ 1由要求可得e=O或0.4235115.1763田4叫0.8470S + 1(1)當(dāng)無純時(shí)延時(shí) &=0.彼控對象傳遞函數(shù)為:(2)當(dāng)純時(shí)延為172(0=0 4235),被控對象傳遞函數(shù)為：G(S)=針對以上兩種情況，需耍分別進(jìn)行分析，以取得預(yù)期效果。第？頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第3頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)仁2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟和要點(diǎn)控制對象的功能和 工作過程的分析系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制匚藝流程圖建模：描述控他城和輸出扯z間的數(shù)學(xué)關(guān)系:確定控制任務(wù)：動公籾靜態(tài)指標(biāo):選抒符法I系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)總線的選擇

7、:內(nèi)空何分配：系統(tǒng)牧件.應(yīng)用程序.待擴(kuò)允:< 4 I/O分配：模擬/；-、： I/O、川允:模姒環(huán)I/O通逍的配風(fēng)屮斷.資詢處評方式的硝定;£即組構(gòu)計(jì)控系統(tǒng)廉理描述圖.包括信巧流程圖 I （接含控IH對鏡的匸藝渝程hr給定fii方式線路方案匚地址分配濾波環(huán)節(jié)信號標(biāo)準(zhǔn)化p技術(shù)拒標(biāo)采樣信號開關(guān)就、模擬嵌I/O 通道設(shè)計(jì)元器件芯片選擇和測試畫應(yīng)用程序流程圖編制源程序、調(diào)試 和仿真J偉法步膿內(nèi)心:參數(shù)區(qū)控制殳輸出如MDS. TTL落件邏弭電譏I/O電流、輸入/輸出能力.以及繪沖器的選擇NY達(dá)到預(yù)期11的?布線和安裝寫 EPPROMfr 機(jī)箱設(shè)計(jì)、布線走向，電路板設(shè)計(jì)調(diào)試磧件Y硬件冇錯(cuò)?

8、烤接板配眾系統(tǒng)試運(yùn)行Y投入運(yùn)行完成控制訂的?第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第二部分設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)方案分析論證2.1 J控制對象特性分析(1)當(dāng)沒有純時(shí)延時(shí),即 e=o 時(shí)，G(s) =115,17630.8470s+ 110第5頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)用MATLAB繪出其波特圖: 程序?yàn)椋簄um= 115.1763den=0.8470 1g=tf (num, den); margin (g);grid on;num =115.1763den =0.84701.0000波特圖為:60Bode DiagramGm = Inf, Pm = 90.5 deg lat 136 rad/

9、s)4020mp) apruc6e 乏(6ep) aseqa10第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)10第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)由上圖可知，系統(tǒng)幅值裕度為無窮(Inf).但相角裕度為9O 5deg.不滿足系統(tǒng)要求。10第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1151763嚴(yán)3匂0.8470s+ 10576-1.152-1.728-2.30410'2 10_1 10° 101 102 101Frequency (rad/s(2)當(dāng)0= 0 4235時(shí)，有較大純時(shí)延，G(s) =用MATLAB繪岀其波特圖: 程序?yàn)椋簄um=115.1763 den=0 8470 1g=t

10、f(num,den, 1 iodelay1, 0 4235);margin (g);grid on;num =115.1763den =0.84701.0000波特圖為:Bode DiagramGm = 0 0801 dB (at 137 rad/s), Pm = 31.1 deg (at 136 rad/s) 6040200-200由上圖可知，晞值裕度為00801dB<6dB,相角裕度為31 ldeg>也不滿足題冃要求。故 需對對象進(jìn)行合理控制使其工作符合要求。綜上所述，而對0=0和0=0.4235的情況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1.2算法選擇 最小拍無紋波：即故少調(diào)整時(shí)間系統(tǒng)，在給定某

11、種典型輸入（如單位階躍輸入、單位速 度輸入或單位加速度輸入）條件下，通過設(shè)計(jì)一個(gè)控制規(guī)律使得閉環(huán)系統(tǒng)輸出幾有最快 的響應(yīng)速度，且輸出的采樣點(diǎn)之間沒有紋波.在滿足系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和 可實(shí)現(xiàn)性條件下，設(shè)計(jì)出來的數(shù)字調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無靜差的穩(wěn)定狀態(tài)。但是眾少拍系統(tǒng) 存在著周限性：對輸入信號類型的適應(yīng)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。 Dalin算法：在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，純滯厲往往是影響系統(tǒng)動態(tài)特性的不利因素，如在熱 匸和化工的許多匸業(yè)生產(chǎn)過程中，其被控對象模型的不確定性、參數(shù)隨時(shí)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(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，則不但不

12、能達(dá)到預(yù)期的效 果，反而會引起系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào)或振蕩。而事實(shí)上，對這類系統(tǒng)的控制要求，快速性 是次要的，而主要耍求系統(tǒng)沒有超調(diào)或很少的超調(diào)。達(dá)林算法就是一種專門針對工業(yè)生 產(chǎn)過程中含有純滯后控制對象的直接數(shù)字設(shè)計(jì)算法。 對溫度控制系統(tǒng)的婆求，主要是保證爐溫按規(guī)定的溫度工藝曲線變化，超調(diào)小或者無超 調(diào)，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(shè)計(jì)H標(biāo)是對帶時(shí)延 的一階或二階慣性環(huán)節(jié)工業(yè)對象，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 為具有純時(shí)延特性的一階慣牲環(huán)節(jié)，冃的是使輸出無超調(diào)或者超調(diào)很小。結(jié)合本次課程 設(shè)計(jì)的控制對象數(shù)學(xué)模型，若其為不帶延時(shí)的一階慣性環(huán)節(jié)，則選用（

13、1）方案，用最 少拍無波紋來設(shè)計(jì)控制器：若其為帶時(shí)延的一階慣性環(huán)節(jié)，而設(shè)計(jì)目標(biāo)就是無超調(diào)或音 超調(diào)很小，故選用（2）方案，用Dalin算法來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。2.1.3控制器設(shè)計(jì)（1）對沒有純時(shí)延的系統(tǒng),0=0,115.17630.8470S + 1第7頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)采用域少拍無紋波設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)該對象的控制器D（Z）,取采樣周期為T=C1T=O.08470s 。設(shè)系統(tǒng)輸入為單位階躍輸入l（t）,則系統(tǒng)期望閉壞傳遞甫數(shù)為：H（z）= Z-1G (z) =ZGh(s)Gb(s)=(i-z-1)Z115J763s(0 8470s + l；10

14、96z-0 9048用matlab進(jìn)行z變換:» H=tf(0 115 1763,0 8470 1)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)H =115.20 847s+ 1Continuous-time transfer function » HdZdCHO 08470,zoh*) Hd =10 96 z0 9048Sample time 0 0847 secondsDiscrete-time transfer ftinction數(shù)字調(diào)節(jié)器控制規(guī)律D (z)為:第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)D(z)=HQ)G(z)l-H(z)z

15、0 9048z"1 _ 0 09124z-0 08255510 96 l_z" 一 (z_l)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為:Gk(z) =D (z) G (z)=0 09124Z0 08255510 96(z-1) Xz-0 9048第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)因此.對最少拍系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)特性測試.MATLAB程序以及運(yùn)行結(jié)果如下:» Ts=0. 1dnum= 1dden= lz -1Zk=tf (dnumr dden,Ts)margin (Zk)0

16、.1000dnum =dden =1 -1Transfer function:1z - 1Sampling time: 0 153 (Jp)Bode DiagramGm = 6 02 dB (at 31.4 rad/s), Pm = 60 deg (at 10 5 rad/s)o o o o3 2 1mp) aprnc6esoo o 1 8101Frequency (rad/s)10第9頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)出上圖可知系統(tǒng)幅値裕度為6 02dB,相角裕度為60deg符合設(shè)計(jì)要求。采用MATLAB的SIMUUNK軟件進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖如下:第#頁

17、共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)仿真結(jié)果如下:第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)放人后:第11頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)由上圖可以看出，t=ls時(shí)給系統(tǒng)施加了單位階躍給定輸入信號，系統(tǒng)輸出在01011s 內(nèi)跟隨了輸入。當(dāng)階躍出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)能夠大約在一個(gè)采樣周期(0.08470s )后準(zhǔn)確地跟隨系 統(tǒng)輸入設(shè)定值，達(dá)到了性能設(shè)計(jì)要求。(2)此時(shí)若加入8= 04235的純時(shí)延環(huán)節(jié)，G(s) =115.1763嚴(yán)3%0.8470s+ 1設(shè)計(jì)如下:由控制對象的純時(shí)延特性常導(dǎo)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

18、出，當(dāng)對象的純延遲時(shí)間與對象慣性時(shí)間常數(shù)人之比大丁等T- 0 5時(shí).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(dá)林算法。帶純時(shí)延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下：G(s)二115.1763e-° 4235s084 7+Os其中.。=04235,耳=08470, K=115 1763。由達(dá)林算法，取得系統(tǒng)期塑閉環(huán)傳遞甫數(shù)為:H(s) =-0 423i匸0.848S + 1式中，T =0 848 ,大J;rr則RAW0,無撮鈴現(xiàn)象°由r&=LXT取L=2,可得采樣周期T= &/2=0 21175s 穴T ItT / T.b=c 1=0.779, b = C 1

19、=0 7788由以上數(shù)據(jù)可得系統(tǒng)期莖閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：H (z) =ZGh(s)H(s)=z_L(1-陀】1-0.221Z"31-0.779Z第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)被控對象的廣義脈沖傳遞函數(shù)為:G(z) =ZGh(s)G0(s)=Kz-<L+1)1-5= 115.1763x0,2212z"31-0.7788Z'125 477 z"3" 1-0.7788Z"1第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的控制規(guī)律為:D (z)= _ 0.008

20、6745 - 00067557z7G(z)l- crz-Q-cOz"41) l-0.779z-1-0.221z'3系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：C z x z 、 、0 0086745-0 0067557Z-125.4770.221Z"3Gk =D(z)G(z) =j5 xr =；j1-0 779z-0 221z"31-0 7788z"1-0.779z" - 0.221z"3加上比例的控制器：D(z)=0,0086745 - 0,0067557z"1l-0.779z-1-0.221z"3xl.8 =0,0156-

21、0.01216z"1l-0.779z-1-0.221z-3第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)0 222辺 s，03978Z-31-0.779Z'1 - 0.221Z'31-0.779Z'1- 0.221z"3由以匕結(jié)果.通過MATLAB仿真結(jié)果如下: 輸入程序：Ts=021175dnum= 0, 0r 0/ 0 221dden=l, -0 779, 0f -0 221第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)Zk=tf (dnumr ddenr Ts)margin (Zk)輸出結(jié)果：Ts =0.2117dnum =0

22、00 0.2210dden =1.0000-0.77900-0.2210Zk =0.221”3 - 0.779 ”2 - 0.221Sample time: 021175 secondsDiscrete一time transfer function.Bode DiagramGm = 12.2 dB (at 3.64 rad/s)» Pm = 71.9 deg (at 0.729 rad/s)o o O2 1 2mp) ap 三G6BW30IO*110o108 6 1 3 (MP) Qsmvd10Frequency (rad/s)由上圖可知，在未加入適當(dāng)?shù)谋壤鲆妫到y(tǒng)的幅值裕度為12

23、 2dB,相角裕度為71 9deg, 可見該系統(tǒng)并不符合設(shè)計(jì)耍求，故需要加入適當(dāng)?shù)谋壤鲆?，降低系統(tǒng)的相角裕度。第II頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)加入一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤鲆?= 1 8Z后，MATLAB仿罠程用以及結(jié)果如下: 輸入程序：Ts=0.21175dnum=0z 0r 0r 0.3978dden=l, -0.779, 0f -0 221Zk=tf (dnum.ddenr Ts)margin (Zk)輸出結(jié)果：Ts =0.2117dnum =0000.3978dden =1.0000-0.77900-0.2210Zk =0.35780 779 ”2 0.221第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

24、課程設(shè)計(jì)Sample time: 021175 secondsDiscrete-time transfer function.Bode DiagramGm = 7.14 dB (at 3 54 rad/s), Pm = 56 8 deg (at 1.34 rad/s) 3020O1O1mp) Pn-E6ez10o101Frequency (rad/s)801O6 3-10"10第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)由上圖可知，系統(tǒng)的幅值裕度為7 14dB相角裕度為56 Sdego可見，加入了一個(gè)1.8的比 例增益之后，系統(tǒng)的性能能夠符合設(shè)計(jì)要求。通過STMTJTJNK仿IX的納果如下,

25、由上圖可知，在t=ls時(shí)對系統(tǒng)施加一個(gè)單位階躍給定輸入信號，在規(guī)定的采樣周期時(shí) 間之后一定的微小延遲，即9=04235s后系統(tǒng)開始受控制器調(diào)節(jié)，并IL最終以較大的衰減率 達(dá)到穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)相比不使用達(dá)林算法的帶純時(shí)延壞節(jié)的情況超調(diào)最大大減少；由有大滯 后純時(shí)延環(huán)節(jié)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)相比之前的無時(shí)延系統(tǒng)慢得多，但可以看出，通過達(dá)林算法設(shè) 計(jì)控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間仍在可以接受的范圍，并II最終系統(tǒng)準(zhǔn)確跟隨輸入信號，調(diào)節(jié)性能良好, 整個(gè)系統(tǒng)性能足以滿足設(shè)計(jì)要求。第13頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)2.2系統(tǒng)方框圖2. 2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意數(shù)字控制器零階保持器被控對象第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)控制

26、策略：溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電樂信號后.將電壓信號放大到AVR單 片機(jī)可以處理的范用內(nèi)，經(jīng)過低通濾波，濾掉干擾信號與給定值比較，差值送入單片機(jī)。單 片機(jī)利用A/D轉(zhuǎn)換器對差值信號進(jìn)行來樣，相當(dāng)將差值送入數(shù)字控制器，運(yùn)用達(dá)林算法 計(jì)算出控制量，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出控制量作用J：被控對彖。通過加熱絲來控制對象溫度, 使其溫度與設(shè)定值相同或相近。2. 3程序設(shè)計(jì)流程2.3.主程序流程單片機(jī)一上電，就進(jìn)行初始化，清除緩沖區(qū)，豐定時(shí)器初值，并IL啟動定時(shí)器，利用A/D 轉(zhuǎn)換器，定時(shí)對溫度進(jìn)行采樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，運(yùn)用相應(yīng)的算法得出控制量，在經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器輸出，對溫度進(jìn)行合理控制使其與設(shè)定值

27、相等或相近。第15頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)主流程圖第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)2. 3. 2溫度采集流程當(dāng)AT89S52執(zhí)行外部存儲器寫指令時(shí).使得CEN,錯(cuò)誤!未找到引用源。二0,R/錯(cuò)誤!未 找到引用源。二0,A0二0,心動12為轉(zhuǎn)換有效。然后通過89s52通過P3.4線查詢STS端口狀態(tài)， 當(dāng)STS為0時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。由T- AD574的12位轉(zhuǎn)換速度很快，故適用與查詢方式。之 后89S52執(zhí)行兩條度外部數(shù)據(jù)存儲器指令，分別讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高八位和低四位數(shù)據(jù)。此時(shí) CE=1,錯(cuò)誤!未找到引用源。=0, A0=0（或A0=l） o定

28、時(shí)器0中斷第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)溫度采樣流程圖第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)2. 3. 3達(dá)林算法及其控制量輸出流程圖達(dá)林算法主要是用r對大滯后對象進(jìn)行控制，使其達(dá)到預(yù)期的控制效果。將達(dá)林算法運(yùn) 算得出的數(shù)字控制量送到D/A轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬控制量施加J：加熱絲或其他 加熱器件，對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。其流程圖如下所示：達(dá)林算法及其控制量輸出流程圖第17頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)2.4軟件實(shí)現(xiàn)當(dāng) 0= 0.4235 時(shí)、0.0086745 - 0.0067557Z"1 , o 0.0156-0.01216Z*1

29、D(z)= ； xl.8 =J1-0.779Z"1 一 0.221Z-31-0.779Z"1 - 0.221z'采用嵌套程序法：系統(tǒng)狀態(tài)方程及輸出方程如下：xl(k+l)_0.7791o'X（k）-0.0000076-x2(k + l)=001x2(k)+0x3(k +1)0.22100X3(k)0.0034476比(k)Y(k) = 100+ x3(k) +0.0156u(k)x3(k)編程框圖如下:U(z)A 00156+ + y(z)第三部分電路設(shè)計(jì)3.1器件選型3.1.1控制芯片的選擇方案一：應(yīng)用ATmegal6作為控制器。速度快，趙功能粘簡指令集（

30、RISC）,內(nèi)部集成 了較多的中斷源和定時(shí)器資源及可編程flash大,貝有八路十位A/D轉(zhuǎn)換通道, 級聯(lián)通信號好的特點(diǎn)。方案二：采用AT89S52作為控制器。優(yōu)點(diǎn)：普遍使用，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：中斷源和定 時(shí)器資源少，可編程空間小"由于本設(shè)計(jì)對I/O 口的操作比較簡單，對flash要求也不高，故選用方案二AT89S52單 片機(jī)做為主芯片。3.1.2溫度傳感器的選擇方案一：采用DS18B20作溫度傳感器。DS18B20現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方 式傳輸，無需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD） ,DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供12位二進(jìn)制溫 度讀數(shù)，指示器件的溫度，增量值為0. 0625-C,o測

31、量溫度范圍從-55°C到 +125C,在-10°C到+85°C范圍內(nèi)，精度為±0. 5°C, 912位分辨率可調(diào)。方案.1：采用Pt 1000鉗電阻作測溫傳感器。熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢經(jīng)放大器放大再經(jīng) 過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機(jī)。結(jié)合本設(shè)計(jì)要求，測最范圍為-50°C200°C,而DS18B20直接把檢測的溫度輸出數(shù)字量, 可以省去AD轉(zhuǎn)換器，但是其測溫范闈為一55C+ 125C,不滿足設(shè)計(jì)要求。故我們選用 方案二。3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求：測量精度0.5%,分辨率0.2°C,而其總的測量

32、的溫度范圍為250攝氏 度，250/02=1250,用十位的A/D轉(zhuǎn)換器無法滿足系統(tǒng)耍求，需12位來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求，故 此系統(tǒng)屮選用AD574作為D/A轉(zhuǎn)換器.AD574是快速型的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。它無 需外接元器件就可以獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15-35US,可以并行輸出12位, 也可以分為8位和4位兩次輸出。3.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇溫度檢測值輸入單片機(jī)后經(jīng)算法計(jì)算之后輸出的控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 1：施加加熱器件中用調(diào)節(jié)溫度。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微 處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在 單

33、片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、 8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。其主要參數(shù)為：分辨率為8位；電流穩(wěn)定 時(shí)間lus：可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單 一電源供電(+5V+ 15V)；低功耗，200mW。其使能端CS由單片機(jī)的P2. 6控制.DAC0832 的DIODI7分別與單片機(jī)的P0. 0P0. 7連接，采用單緩沖輸出方式，輸出端再接 uA741放大器輸出模擬電壓。32溫度檢測電路與整形放大濾波電路信號檢測電路是溫度控制系統(tǒng)的車耍組成部分，其對溫度測量的精確性1接影響整個(gè)溫 度控制系統(tǒng)的精度。故本系統(tǒng)選用性能

34、穩(wěn)定的PT100C鉗熱電阻傳感器作為測鼠溫度信號的 敏感元件。其阻值隨溫度的變化為：0C時(shí)阻值為1 000C,溫度系數(shù)為3. 84Q*Co線性度小 于0. 5%。借號采集電路采用對稱的差動式電橋測量溫度信為鉗熱電阻器Rt和精密電阻器 Rll、R12及R13組成測量電橋。此測量電路采用橋式電路來提高測量精度，經(jīng)過運(yùn)算放大 器LM139將電壓信號放大后輸出，通過選擇合適的熱敏電阻或偏移處理得出相對應(yīng)的電床. 溫度關(guān)系，即VVo+m+T其中，(V。為電斥偏移量，m為常數(shù)，入的范用從-50C到200*C)其檢測電路如下所示：溫度檢測及低通濾波電路3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求分辨率為0TC,測量

35、范圍為(50200)七，總的測量的溫度范圍為250 攝氏度，250/0 2=1250,故選用12位的A/D轉(zhuǎn)換器AD574。AD574為單片高速12位逐次 比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，外接元件少，功率低，精 度高等特點(diǎn)，并具有口動校零和口動極件轉(zhuǎn)換功能。其轉(zhuǎn)換速率為25us,模擬電床輸入范 圍為310V, 320V,卜錯(cuò)誤!未找到引用源.5V, 5錯(cuò)誤!未找到引用源。10V。此A/D轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)換精度為1/212= 1/4096,統(tǒng)可以達(dá)到分辨率為0 06°C満足系統(tǒng)而求。AD574的A0和R/C通過74LS373與單片機(jī)的P0 6與P0.7連接74LS3

36、73的ID8D分別與單片機(jī)的 PO OP0.7 連接。其電路圖如下所示:5V 15V 詁 £GWD325STS62«y6TTADCSALEyH-occ1D2D3D4D誥 mg谿器氏默噩DDS°S2119CSVCCVEEDCAD574AC AUR/CREHN R£K)UT DIPOITlUVm23VuiIT1510121314Ar TNU4AD5743.4 D/A轉(zhuǎn)換電路溫度檢測值輸入單片機(jī)后經(jīng)算法計(jì)算之后輸出的控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 最施加加熱器件中用調(diào)節(jié)溫度。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微 處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)

37、格低廉、接1簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、 8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成.其主要參數(shù)為：分辨率為8位；電流穩(wěn)定 時(shí)間lus；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 單一電源供電(+5V+ 15V):低功耗,200m肌 其使能端CS由單片機(jī)的P2. 6控制，第21頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)DAC0832的DIODI7分別與單片機(jī)的P0. 0P0. 7連接，采用單緩沖輸出方式，輸出 端再接uA741放大器輸出模擬電壓。其電路圖如下所示：GHD131415456DACS 13 R 2

38、i7D1?VCCD16GND HwnUUD14unuD13DAC0832DI2DJ1VRJEFD10P-FBIL2CSI OUT1WP1W2I OUT】XFERU3JDACC8323 GND20"10VCC11U f uAMlONINCINVOC+IN+OUTnKnVUv -UA7416DKGMDD/A轉(zhuǎn)換電路3.5數(shù)碼管顯示電路采用四位共陽數(shù)碼管來顯示當(dāng)前的溫度值。如卞圖所示:xfl.maaa口u.PMn.j>12 pij pi.< TU PM n.;pyo(Rxi>) n.j m Pl .3>M(D) »?se)M.7兩數(shù)碼管顯示電路第23頁共3

39、6頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第四部分整機(jī)電路第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第五部分安裝調(diào)試及性能檢測5.1系統(tǒng)仿真當(dāng)0= 0.4235時(shí).系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖為Step第25頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)仿真得到的各個(gè)波形第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)單位階躍輸入信號偏差信號第#頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第27頁共36頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形輸出信號波形分析：示波器Scope?顯示的是單位階躍的輸入信號波

40、形.示波器SmpeW顯示的是謀差 信號e(t)的波形，示波器Scope顯示的是數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出信號波形，示波器Scopel顯示的 是系統(tǒng)輸出波形丫。從e(t)的波形圖中我們可以看出誤差信號剛開始會比較大，但是很快 就下降到零。由此說明達(dá)林算法設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器對誤差具有良好的消除作用。數(shù)字調(diào)節(jié)器 輸出的控制信號穩(wěn)定，無振鈴現(xiàn)象，系統(tǒng)輸出跟隨輸入，由此可見系統(tǒng)性能比較好。52抗干擾性能分析當(dāng)0= 0.4235時(shí)的抗干擾性能分析干擾為階躍信號的抗干擾性能分析結(jié)構(gòu)圖為S1Of>2抗干擾性能分析結(jié)構(gòu)圖(干擾為階躍信號)設(shè)置Step輸入為0,在29時(shí)施加幅值0.5的階躍干擾，得到如下的仿真波形Ste

41、p輸入信號數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出信號階躍干擾信號偏差信號輸出信號設(shè)定值Step為0,階躍干擾為05時(shí)仿真由上圖可得，當(dāng)在被控對象之前加一定的階躍干擾信號之后，系統(tǒng)受到階躍借號的干擾, 輸出不為零，由-系統(tǒng)具有抗干擾的功能，經(jīng)過一定的時(shí)間厲，會口動消除干擾引起的影響, 冋復(fù)原來的狀態(tài)如匕圖所示,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差經(jīng)過定時(shí)間后為0系統(tǒng)輸出與輸入信號相 等，可知系統(tǒng)對于階躍信號的干擾有較好的抗干擾作用。5. 3元件清單1；即血宀川山I：15川：Comment Description Designator Footprintr LibReF QuantityCapCapacitorC1.C2X1C4RAD-0.3C

42、ap4iLED4-YANGDS1LED-4-YLED-4-YANG1Res2ResistorRLRZR1R4.R 5. AXIAL-04Res219200R13RES-POTENTIOME RES-POTENTIOME1THEMISTORResistorR14A<IAL-0.3Res11100R15.R16AES-POTENTIOME RES-POTENTIOME210KR17RES-POTENTIOME RES-POTENTIOME1Res1ResistorR18AXIAL-0.3Re$11AT89S52U1DIP40AT89S521LM133U2LM139LM1391DAC0832U

43、3DAC0832DAC08321AD574U4AD574174LS373Octal D-Type Tran$j U5DIP20-wide74LS373174LSOOQuad 2-lnput PositiY U6DIP-1474LSOO1uA741U7DIP-8uA7411XTALCrystal OscillatorY1R38XTAL1第29頁共36頁計(jì)篦機(jī)控制系統(tǒng)課程i殳計(jì)第六部分心得體會如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的口新口異，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界空前活躍的領(lǐng)域，而 我們作為華工口動化科學(xué)與工程學(xué)院的學(xué)子、未來的二十一世紀(jì)的人才，掌握計(jì)算機(jī)控制技 術(shù)是至關(guān)重要的。本次的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)總共

44、用了接近一個(gè)星期的時(shí)間，對本次 課程設(shè)計(jì)，本人分為兒個(gè)階段進(jìn)行工作：1.上網(wǎng)和到圖書館査閱相關(guān)資料：2.方案選擇論證, 也包括控制算法的選擇論證；3.利用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和齡證：4.元器件選 型、電路設(shè)計(jì)、繪制電路板、編寫程序：5.整理報(bào)告.本次的課程設(shè)計(jì)是我們對之前所學(xué)過的知識的一個(gè)總結(jié)和概括，也是對我們實(shí)際動手 能力的鍛煉和考察過程。本次課程設(shè)計(jì)，可以說是控制領(lǐng)域所有基礎(chǔ)科學(xué)和專業(yè)學(xué)科的大綜 合，其涉及的內(nèi)容爨括計(jì)算機(jī)控制、口動控制原理、數(shù)字信號處理、單片機(jī)原理、過程控制、 檢測技術(shù)、數(shù)字電路、檢擬電路等技術(shù)知識，通過獨(dú)立完成設(shè)計(jì)町以培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué) 知識，發(fā)

45、現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題的能力，使我們對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為深入的了解 并且在實(shí)踐中掌握其設(shè)計(jì)要領(lǐng)，更能有效提高我們的專業(yè)水平和綜合素質(zhì)。本次的課程設(shè)計(jì)十分注重控制器的設(shè)計(jì)，這也與上課的時(shí)候老師強(qiáng)調(diào)的車點(diǎn)相符。之前 上課的時(shí)候總覺得數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)很難，這也跟只是純理論的學(xué)習(xí)有關(guān)，而這次的課程設(shè) 計(jì)可以使我們在實(shí)踐中了解數(shù)字控制器的具體設(shè)計(jì)過程。在這個(gè)過程當(dāng)中，要借助到MATLAB 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，而這個(gè)軟件之前沒怎么用過，所以用起來也比較吃力，不過通過査找資料和 請教同學(xué)，各個(gè)困難都迎刃而解。MATLAB這個(gè)軟件是一個(gè)十分強(qiáng)大的軟件，功能多、指令 也比較簡單，用好這個(gè)軟件對我們?nèi)蘸蟮膶W(xué)習(xí)和工

46、作都有很大的幫助，而這次的課設(shè)，使我 對MATLAB的掌握程度又更深了一層。至更件和軟件設(shè)計(jì)，由之前也參加過兒次電子設(shè)計(jì)類的比賽，所以對ALTIUM DESINER和KEIL等軟件的操作并不陌生，只是對丁元器件的選擇有些疑惑，因?yàn)楹芏嘣?之前也沒用過，對其工作過程不了解，所以只能上網(wǎng)査找資料，尋找最佳的器件。在畫電路 圖時(shí)，很務(wù)器件其原理圖和封裝圖都得白己畫，這個(gè)也占了比較多的時(shí)間，不過經(jīng)過多次設(shè) 計(jì)，使得我對這個(gè)軟件的運(yùn)用更為熟練?？傮w來說，本次的課程設(shè)計(jì)，我們首先學(xué)會了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法。其次， 是對控制系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)工貝一-MATLAB拿握得更加牢固。再者，就是對系統(tǒng)的軟碩件設(shè)計(jì) 了解得更為深入，對軟碩件開發(fā)的匸具也有了更深的理解和把握。半常的課室學(xué)習(xí)，我們對 于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的許多理論知識沒右A深刻的認(rèn)識，即使是通過課程的學(xué)習(xí)及考核也只能 說是了解個(gè)大概，并沒有真正接觸到這些理論方法的典