計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)——大純時(shí)延一階慣性環(huán)節(jié)溫度控制系統(tǒng)

1、目 錄一）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容任務(wù)3二）對(duì)課設(shè)任務(wù)的解讀3三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖3四）各部分程序流程圖4五）數(shù)字控制器設(shè)計(jì) 5六）系統(tǒng)仿真6七）抗干擾性分析11八）硬件設(shè)計(jì)13九）系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件元素選型14十）心得體會(huì)16十一）參考文獻(xiàn)16附 硬件設(shè)計(jì)圖一、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容任務(wù)1、針對(duì)一個(gè)具有大純時(shí)延時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)(G(s)=K*e-s/(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(cè)量范圍-50200，測(cè)量精度0.5，分辨率0.2；2、書(shū)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，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(shí)編寫(xiě)程序流程圖；

2、4、用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證；K=10*log(C*C-sqrt(C),rand(state,C),T=rand(1), =0或T/2，C為學(xué)號(hào)的后3位數(shù)，如：C=325，K=115.7，T=0.9824，=0或0.4912；5、進(jìn)行可靠性和抗干擾性的分析；6、書(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)體會(huì)和心得。二、對(duì)課設(shè)任務(wù)的理解和分析1、該任務(wù)是針對(duì)一個(gè)特定的控制對(duì)象進(jìn)行可靠性和穩(wěn)定性控制，選取實(shí)際生活中常見(jiàn)的溫度為控制對(duì)象；2、該任務(wù)只需要一個(gè)控制對(duì)象，進(jìn)行可靠性和抗干擾性分析時(shí)設(shè)定隨機(jī)干擾量，觀察仿真圖形和性能，故可以選取簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)；3、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程采取分步設(shè)計(jì)，由局部到整

3、體，主要有溫度檢測(cè)模塊、輸入通道部分、輸出通道部分、接口擴(kuò)展部分、晶振和復(fù)位電路模塊、調(diào)壓觸發(fā)電路、數(shù)碼管顯示等；4、取= T/2，大純時(shí)延系統(tǒng)的控制算法有多種，根據(jù)其特定性能，本設(shè)計(jì)在PID算法和達(dá)林算法之間權(quán)衡之后做出選擇，最終采用達(dá)林控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，取期望閉環(huán)傳遞函數(shù)H(s)，求解出數(shù)字控制器D(z)及其差分方程；5、編寫(xiě)程序流程圖，采取正確的思路和方法，包括主程序流程圖、8155初始化、濾波、鍵盤(pán)輸入、達(dá)林算法、延時(shí)等；6、仿真分析和驗(yàn)證過(guò)程采用MATLAB和SIMULINK實(shí)現(xiàn)，主要針對(duì)仿真性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，并結(jié)合典型輸入信號(hào)的隨機(jī)干擾進(jìn)行可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾性分析。三、系

4、統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其輸入為溫度設(shè)定值，輸出為調(diào)節(jié)控制信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)由以下圖所示各部分組成。1、 如下圖所示為簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖，由輸入設(shè)定值與系統(tǒng)輸出值的偏差傳遞到數(shù)字控制器，并產(chǎn)生控制信號(hào)，針對(duì)本設(shè)計(jì)所假定的特定控制對(duì)象溫度進(jìn)行循環(huán)重復(fù)式的校正和調(diào)節(jié)。2、如下圖所示為本設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖（簡(jiǎn)單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖），主要由模擬輸入通道和模擬輸出通道組成，通過(guò)該回路對(duì)控制對(duì)象不斷的調(diào)整，指導(dǎo)滿足系統(tǒng)要求及各項(xiàng)性能指標(biāo)。四、各部分程序流程圖由于要使用計(jì)算機(jī)作為控制設(shè)備，要對(duì)溫控對(duì)象實(shí)現(xiàn)較好的控制，使其滿足較好的性能指標(biāo)，故本設(shè)計(jì)采取程序主要包

5、括如下部分：主程序T1中斷程序采樣中斷程序達(dá)林算法程序等各程序流程如下圖所示：1、主程序主程序主要是對(duì)電路進(jìn)行初始化，并且開(kāi)相關(guān)的中斷，使到設(shè)備對(duì)溫度進(jìn)行采樣、控制，以及顯示輸出。開(kāi)始初始化設(shè)定堆棧指針清顯示緩沖起區(qū)設(shè)定T0控制字開(kāi)中斷掃描鍵盤(pán)溫度顯示主程序2、T1中斷服務(wù)程序T1中斷程序清標(biāo)志位停止輸出返回開(kāi)始讀數(shù)據(jù)e（k）計(jì)算參數(shù)計(jì)算數(shù)字控制器輸出輸出u（k）控制變換e(k)和u（k）e(k-2) e(k-1),e(k-1) e(k), u(k-2) u(k-1),u(k-1) u(k)返回3、達(dá)林算法控制程序計(jì)算數(shù)字控制器的控制信號(hào)，每次讀取e（k），然后計(jì)算出參數(shù)，輸出控制序列u（k）

6、，然后變換e（k1）、e（k2），u（k1），u（k2），為下一次計(jì)算作準(zhǔn)備。達(dá)林算法程序流程圖：4、采樣程序用于對(duì)溫度進(jìn)行采樣，對(duì)采樣溫度值的處理用了連續(xù)N次，再取平均的方法得到最后的平均采樣溫度值。在開(kāi)始時(shí)，對(duì)采樣設(shè)備進(jìn)行初始化，設(shè)定采樣次數(shù)以及計(jì)算次數(shù)，然后結(jié)束后，計(jì)算出平均值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸送給處理器。 采樣程序流程圖 入口堆棧保護(hù)確定采樣次數(shù)啟動(dòng)0809進(jìn)行采樣記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行累加返回計(jì)算采樣數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換傳送數(shù)據(jù)采樣次數(shù)是否減少為0？清空單元YN五、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)（取= T/2）本人學(xué)號(hào)200xxxxx232，所以C232根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用matlab計(jì)算出系統(tǒng)參數(shù)，確

7、定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)式中：T 時(shí)間常數(shù) K 調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大倍數(shù)t 系統(tǒng)的純滯后時(shí)間，且，Ts為采樣周期。計(jì)算用程序： k=10*log(232*232-sqrt(232)k =108.9319 rand(state,232); t1=rand(1)t1 =0.0090=t1/20.0045代入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：其波特圖為：由圖可知，其幅值裕度與相角裕度均不符合要求，系統(tǒng)性能差，需要校正。按照設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用計(jì)算機(jī)作為控制裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。當(dāng)對(duì)象的純延遲時(shí)間與對(duì)象慣性時(shí)間常數(shù)Tm之比大于等于0.5時(shí)，采用常規(guī)PID算法難于獲得良好的系統(tǒng)性性能。達(dá)林算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制

8、器,使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且它得純時(shí)延時(shí)間與被控對(duì)象時(shí)延相同。跟史密斯對(duì)比起來(lái)，達(dá)林算法比較適合的被控對(duì)象多為工業(yè)中的熱工或化工過(guò)程中，被控對(duì)象具有純滯后環(huán)節(jié)且容易引起系統(tǒng)超調(diào)和持續(xù)的振蕩。綜合考慮之后，決定采用達(dá)林算法來(lái)進(jìn)行數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)。由達(dá)林算法知：被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)： ，假設(shè)其期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，其中，為采樣周期，L為整數(shù)。由此可得到：， ，其中：；。確定參數(shù)值過(guò)程：K=k =108.93191 =0.0090=t1/20.0045=（1/21/3）1=0.002Ts=/L=0.0090/2=0.00225eTS/t e -1.

9、125 0.32471eTS/t1e-0.25 0.7788 所以由表達(dá)式可以求出其差分方程為：；其中：=0.0280=0.0218=0.32471- C=0.6753由此求得本系統(tǒng)其差分方程為：u(k)= 0.0280e（k）0.0218e（k1）0.3247u（k1）+0.6753u（k2）六、系統(tǒng)仿真 1.2 0.810361 對(duì)設(shè)計(jì)后連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行分析由上圖可知，幅值裕度為9.44db（大于6db的要求），相角裕度為68度（大于60度的要求），故設(shè)計(jì)符合規(guī)定。2離散系統(tǒng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：通過(guò)示波器觀察波形系統(tǒng)的波形穩(wěn)態(tài)誤差e（t）波形： 數(shù)字調(diào)節(jié)器波形 系統(tǒng)輸出y（t）波形分析：系統(tǒng)到

10、一定時(shí)間后穩(wěn)態(tài)誤差為0，數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)輸出與輸入相匹配，由此可得系統(tǒng)性能良好。七、抗干擾性分析1、當(dāng)干擾信號(hào)為介躍信號(hào)（此時(shí)輸入為0，干擾信號(hào)大小為10）穩(wěn)態(tài)誤差波形： 系統(tǒng)輸出波形分析：由圖可得，當(dāng)加一定的介躍干擾信號(hào)后，系統(tǒng)受到介躍信號(hào)的干擾，但到一定的時(shí)間后，由于系統(tǒng)具有抗干擾的功能，會(huì)自動(dòng)消除干擾所帶來(lái)的影響，恢復(fù)到回來(lái)的狀態(tài)，如圖所示，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差到一定時(shí)間后為0 ，系統(tǒng)輸出跟輸入信號(hào)相匹配，故系統(tǒng)對(duì)于為介躍信號(hào)的干擾有較好的抗干擾作用。2、干擾信號(hào)為脈沖信號(hào)（輸入信號(hào)為0）干擾信號(hào)波形 穩(wěn)態(tài)誤差波形 系統(tǒng)輸出波形分析：由圖可得，當(dāng)加一定的介躍干擾信號(hào)后，系統(tǒng)受到

11、脈沖信號(hào)的干擾，但到一定的時(shí)間后，由于系統(tǒng)具有抗干擾的功能，會(huì)自動(dòng)消除干擾所帶來(lái)的影響，恢復(fù)到回來(lái)的狀態(tài)，如圖所示，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差到一定時(shí)間后為0 ，系統(tǒng)輸出跟輸入信號(hào)相匹配，故系統(tǒng)對(duì)于為脈沖信號(hào)的干擾有較好的抗干擾作用。3 系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)情況模擬仿真：保持系統(tǒng)不變，分別在兩個(gè)時(shí)段不同位置上加兩個(gè)介躍信號(hào)，如下圖所示：1、 在輸入處，加入一個(gè)r（t10）100的介躍信號(hào)（即當(dāng)t10s時(shí)，r（t）100，當(dāng)t20s時(shí)，r（t）10；當(dāng)t20s時(shí)，r（t）0），用來(lái)模擬在現(xiàn)實(shí)情況下，某一隨機(jī)時(shí)刻，有干擾信號(hào)參入的系統(tǒng)中。下圖將仿真結(jié)果列出：穩(wěn)態(tài)誤差e（t）波形 數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形系統(tǒng)輸出波形分析：當(dāng)系統(tǒng)輸

12、入突加給定時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差發(fā)生變化，數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)變化產(chǎn)生控制信號(hào)，使系統(tǒng)輸出跟隨輸入信號(hào)的變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)又到系統(tǒng)受到干擾時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器再次根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差產(chǎn)生控制信號(hào)，消除干擾的影響，使到系統(tǒng)回復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能以及抗干擾性能。八、硬件設(shè)計(jì)1、復(fù)位和晶振電路：其中VCC為5V，晶振頻率為12MHz D1的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將R0電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng)80C52在工作時(shí)，按下S0開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)80C52芯片復(fù)位。2、單片機(jī)接口擴(kuò)展電路： 通過(guò)80

13、C52的P20、P21、P22產(chǎn)生片選信號(hào)，通過(guò)74LS138的譯碼電路進(jìn)行譯碼，分別對(duì)3片8155進(jìn)行片選。3、模擬輸入通道：信號(hào)輸入過(guò)程為：溫度檢測(cè) 濾波整形放大 A/D轉(zhuǎn)換 并行接口8155 CPU通過(guò)溫度檢測(cè)電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流、電壓信號(hào)，再通過(guò)濾波整形及放大電路，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，通過(guò)8155的PC口控制A/D轉(zhuǎn)換器的選通、采樣、轉(zhuǎn)換、讀入，在同個(gè)采樣周期重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，并取平均值作為該采樣周期的值，再與給定信號(hào)比較，通過(guò)CPU的計(jì)算得出控制值，再通過(guò)模出通道對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。1） 溫度檢測(cè)及整形濾波放大電路： 如上圖中所示，檢測(cè)部分采用橋式壓差檢測(cè)電路，經(jīng)過(guò)低通有源濾波放大

14、電路，得到ADC0809的模擬輸入電壓（05V之間）信號(hào),并將信號(hào)傳送給AD0809IN0口。2）其余部分連接電路： 如上圖中所示，左側(cè)為8155芯片，右側(cè)為ADC0809，溫度檢測(cè)及濾波整形放大電路得到的模擬輸入信號(hào)由IN-0輸入ADC0809，再通過(guò)8155傳送給80C52. 4、模擬輸出通道：輸出信號(hào)傳遞過(guò)程： CPU 并行接口8155 D/A轉(zhuǎn)換 加熱電壓調(diào)節(jié)線路 加熱電壓 從CPU輸出計(jì)算好的數(shù)字信號(hào)的控制量到模出通道的8155的A口連接的D/A，再由C口控制D/A的讀入、轉(zhuǎn)換，D/A輸出的控制兩用作同步脈沖線路的給定量，通過(guò)單相交流可控硅電壓調(diào)壓線路調(diào)節(jié)加熱電壓線路。再通過(guò)檢測(cè)電路

15、把調(diào)節(jié)結(jié)果反饋回去，周而復(fù)始，最終使控制對(duì)象溫度穩(wěn)定控制在150。1） DAC0832輸出信號(hào)電路：如上圖中所示，DAC0832輸出為雙極性輸出電路，Uout作為調(diào)壓電路晶閘管的觸發(fā)電路的給定電壓。2）加熱電壓電路：如上圖所示：主電路采用兩只單向晶閘管反并聯(lián)的形式，在交流電壓的正半周期使其中一只晶閘管導(dǎo)通，在負(fù)半周期使另一只晶閘管導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)為驅(qū)動(dòng)電路部分的總開(kāi)關(guān)，左邊的燈用于指示開(kāi)關(guān)是否接通，右邊的燈用于指示負(fù)載上是不是有電壓，控制電路通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管的通斷來(lái)控制加在負(fù)載上的電壓大小。九、系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件元素選型1、主控制芯片80C52：80C52是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的

16、產(chǎn)品，采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于80C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場(chǎng)合。80C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、8k片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外，80C52還可工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和

17、掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。2、譯碼片選芯片74LS138：它是一個(gè)3-8譯碼器，3-8譯碼器是通過(guò)3條線來(lái)達(dá)到控制8條線的狀態(tài)，就是通過(guò)3條控制線不同的高低電平組合, 一共可以組合出8種狀態(tài)， 即2的3次方。在電路中， 主要起到擴(kuò)展IO資源的作用。3、接口擴(kuò)展芯片8155：Intel 8155芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)RAM，2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程并行I/O口和1個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155可直接與MCS51單片機(jī)連接不需要增加任何硬件邏輯。由于8155既有RAM又具有I/

18、O口，因而是MCS51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一,8155內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)8位并行輸入/輸出端口，一個(gè)6位并行輸入/輸出端口，256個(gè)字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，一個(gè)地址鎖存器，一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及控制邏輯電路，各部件和存儲(chǔ)器地址的選擇由IO/M信號(hào)決定。4、ADC0809：ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，可以和微機(jī)直接接口，由八路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹(shù)狀開(kāi)關(guān)、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。5、DAC0832：DAC0832由美國(guó)國(guó)民半導(dǎo)體公司（National Semiconductor C

19、orporation）研制的8位芯片， DAC0832由“8位輸入寄存器”、“8位DAC寄存器”和“8位DAC轉(zhuǎn)換電路”三部分電路組成。6、鉑電阻溫度傳感器Pt100：鉑電阻溫度傳感器PT100，電阻溫度系數(shù)為3.9103，0時(shí)電阻值為100，電阻變化率為0.3851/。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200650）最常用的一種溫度檢測(cè)器，對(duì)于本設(shè)計(jì)要檢測(cè)的-50200剛好合適，而且其本身廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。7、其他例如導(dǎo)線、電阻、電感、電容、二極管、三極管等元器件。十、心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)之前，通過(guò)以前各門(mén)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，我已經(jīng)掌握了計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)控制、單片機(jī)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)等知識(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一定的初步概念和想法。雖然在實(shí)際生產(chǎn)中不同的控制對(duì)象，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是完全不同的，可是設(shè)計(jì)的基本原則和思路基本一致，只要能較好地掌握它，