電橋計算機控制課程設(shè)計正文

1、 基于simulink仿真的計算機水溫控制系統(tǒng)指導老師： 邢航老師 年級專業(yè) 10自動化4班 姓名學號 沈澤棍201030460423劉文杰201030460420譚開揚2010304604242013 年 12 月 06 日題目及要求設(shè)計題目：基于simulink仿真的計算機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容：假設(shè)被控溫度對象為1/(2s+1)，選擇Pt100熱電阻測溫，A/D轉(zhuǎn)換器為8位，設(shè)定溫度200C，設(shè)計最少拍無紋波控制器設(shè)計要求：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12.1熱電偶橋式

2、電路模塊12.1.1熱電阻橋式測溫電路12.1.2Pt100鉑熱電阻測溫特性12.1.3鉑熱電阻電橋測溫電路仿真模塊的設(shè)計22.2標度轉(zhuǎn)換模塊32.2.1標度轉(zhuǎn)換原理32.2.2標度轉(zhuǎn)換仿真模塊的設(shè)計32.3最少拍無紋波控制器模塊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實驗與調(diào)試105總結(jié)與心得10參考文獻11附錄121仿真系統(tǒng)描述本系統(tǒng)在simulink上進行溫度控制系統(tǒng)的仿真，溫度探測元件為熱電阻，被控對象為1/(2s+1)。控制器是本小組經(jīng)過計算自行設(shè)計的最少拍無紋波控制器。仿真系統(tǒng)總原理圖如圖1所示。給定溫度t給定溫度t采樣開關(guān)最少拍無紋波控制器

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2.1熱電阻橋式電路模塊2.1.1熱電阻橋式測溫電路根據(jù)題目要求，采用Pt100鉑電阻測量輸出溫度。熱電阻電橋測溫電路如圖2所示。電路中R=100，E=5V，。2.1.2 Pt100熱電阻的測溫特性Pt100鉑電阻適用于-200850全部或部分范圍內(nèi)測溫，其主要特征是測溫精度高，穩(wěn)定性好。根據(jù)IEC標準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時的電阻值）。圖2 熱電阻電橋測溫電路 2.1.3鉑熱電阻

4、電橋測溫電路仿真模塊的設(shè)計由于仿真系統(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溫電路仿真模塊及其封裝圖如圖4所示。圖4 鉑熱電阻測溫電路仿真模塊及其封裝圖2.2標度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計由于計算機系統(tǒng)不能識別模擬量，所以需要將鉑熱電阻電橋測溫模塊的輸出電壓 QUOTE 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以需在其輸出端后接一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器。2.2.1標度轉(zhuǎn)換原理經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器出來的數(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）。所以需要對數(shù)字量進行標度轉(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以及對應(yīng)數(shù)字量的關(guān)系（見附表1）曲線進行分段線性化，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)字量所對應(yīng)的溫度值。線性變換公式如下：上式中，Y表示參數(shù)測量值； 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 對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的輸入值； QUOTE 表示量程起點 QUOTE 對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的輸入值；X表示測量值Y對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值。2.2.2標度轉(zhuǎn)換仿真模塊的設(shè)計0 QUOTE 5的標度轉(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標度轉(zhuǎn)換模塊及總的標度轉(zhuǎn)換模塊封裝圖 2.3最少拍無紋波控制器模塊最少拍無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關(guān)對誤差進行采樣，但由于是仿真系統(tǒng)，該采樣開關(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。最少拍無紋波控制器的設(shè)計如下：因為輸入為階躍信號，所以采樣周期為T；當T=1s時，當T=20s時，當T=60s時，由于最少拍無紋波控制器的輸出為離散值，而被控對象的輸入為連續(xù)信號，所以需要在最少拍無紋波控制器的輸出端后接D/A轉(zhuǎn)換器進行信號重構(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，采樣周期為1s時的仿真波形如圖7所示；采樣周期為20s時的仿真波形如圖8所示；采樣周期為60s時的仿真波形如圖9所示。16位CPU時，采樣周期為1s時的仿真波形如圖10所示；采樣周期為20s時的仿真波形如圖11所示；采樣周期為60s時的仿真波形如圖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，不同采樣周期的仿真波形對比圖如圖13所示。16位CPU時，不同采樣周期的仿真波形對比圖如圖14所示。圖13 8位CPU不同采樣周期的仿真波形對比圖圖14 16位CPU不同采樣周期的仿真波形對比圖3.2波形分析將上面8副仿真波形圖進行對比?？芍?，本仿真系統(tǒng)的控制波形不會因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。而采樣周期到達一定長度時，控制效果的差異不明顯。4實驗與調(diào)試在整個仿真系統(tǒng)的設(shè)計中，本小組遇到的最大難題就是在

9、熱電阻橋式測溫電路設(shè)計這一部分。遇到的問題有兩個：1.由于Pt100鉑熱電阻阻值并不是線性變化的，而是一個二次曲線鉑熱電阻在約24處也有一個極值。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)計一樣，剛開始的時候，我們組的組員都摸不著頭腦。將學到的知識用到實際的系統(tǒng)中去，是中國絕大部分大學生都會感到頭痛的問題。但經(jīng)過翻查教材，上網(wǎng)搜集資料和班

10、里同學相互請教的過程后，我們的課程設(shè)計就慢慢有了進展，而當我在此刻寫下總結(jié)與心得的時候，我們也漂亮的完成了我們的課程設(shè)計任務(wù)。我覺得，和做其他很多事情一樣，課程設(shè)計也不會是一帆風順的，我們會遇到各種不同的問題，但經(jīng)過努力，問題一定會得到解決，而且這樣一個不斷遇到問題和解決問題的過程，會使我們的能力在不知不覺間不斷的增強，我們的收獲也會越來越多。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生活。參 考 文 獻高金源，夏潔.計算機控制系統(tǒng)M.北京：清華大學出版社，2007.薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計M,北京：機械工業(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