基于大林算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1課程設計任務書學院專業(yè)學生姓名班級學號課程設計題目基于大林算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計實踐教學要求與任務:構(gòu)成電阻爐溫度控制系統(tǒng)大林算法設計硬軟件設計實驗研究THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗撰寫實驗報告工作計劃與進度安排:第1～2天，查閱文獻，構(gòu)成閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)第3天，大林算法設計第4～5天，硬軟件設計第6天，實驗研究第7～9天，THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗第10天，撰寫實驗報告指導教師：201年月日專業(yè)負責人：201年月日學院教學副院長：201年月日目錄摘要 11.課題簡介 21.1課題目的 21.2課題內(nèi)容 21.3課題要求 22.大林算法控制系統(tǒng)方案設計 32.1控制系統(tǒng)總體介紹 32.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理 33.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設計 43.1A/D采樣電路 43.2D/A輸出電路 53.3給定對象硬件電路設計 63.4總硬件圖 74.大林算法控制系統(tǒng)算法設計 84.1控制算法的原理 84.2計算機實現(xiàn)的計算機公式推導 84.3采樣周期的選擇 95.大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設計 105.1主程序與中斷流程圖 105.2部分控制程序代碼 116.結(jié)論 157.小結(jié)與體會 16參考文獻 17PAGE16摘要電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預定的時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對象電阻加熱爐功率為20KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。本設計針對一個溫區(qū)進行控制，要求控制溫度范圍50～350℃，保溫階段溫度控制精度為±1℃。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，其對象溫控數(shù)學模型為：其中：時間常數(shù)=350秒，放大系數(shù)=50，滯后時間τ=10秒，控制算法選用大林算法。關(guān)鍵詞：單片機；A/D、D/A；大林算法；傳感器；爐溫控制1.課題簡介1.1課題目的課程設計是課程教學中的一項重要內(nèi)容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內(nèi)容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質(zhì)具有很重要的意義?！队嬎銠C控制系統(tǒng)》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎。1.2課題內(nèi)容設計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1.硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2.控制算法：大林控制算法。3.軟件設計：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、大林算法控制程序、D/A輸出程序等。1.3課題要求模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V~+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V~+5V）。模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3.選擇被控對象：4.對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件通過數(shù)組單元移位實現(xiàn)。5.定時中斷間隔選取50ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又滿足。6.閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)按的被控對象最大時間常數(shù)選擇。2.大林算法控制系統(tǒng)方案設計2.1控制系統(tǒng)總體介紹圖2.1-1大林算法設計的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間，可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來表示，其傳遞函數(shù)為一階對象：，二階對象：,大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ（s）相當于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即，并希望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象的純滯后時間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，純滯后時間與采樣周期T有整數(shù)倍關(guān)系，（N=1,2﹒﹒﹒﹒）。2.2控制系統(tǒng)閉環(huán)工作原理在本次大林算法控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)先進行A/D采樣，將給定值采樣值取到單片機內(nèi)，之后單片機會選擇另外一路通道，進行輸出值即反饋值的采樣。將輸出值采樣到單片機內(nèi)后，在單片機中進行差值E(k)計算，再通過單片機中的算法程序得到輸出量U(k)，再經(jīng)過D/A變換器，將輸出結(jié)果作用于被控對象。經(jīng)被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機內(nèi)。3.大林算法控制系統(tǒng)硬件電路設計3.1A/D采樣電路該實驗的A/D采樣硬件電路如圖3-1所示圖3-1A/D采樣硬件電路圖上圖所示的是ADC0809與8051連接的硬件電路圖，其中在ADC0809中，IN-6、IN-7分別采樣給定信號和反饋信號，A\D轉(zhuǎn)換器的引腳A接單片機的P1^6，用于選擇采樣通道?？刂朴嬎銠C的定時器作為基準時鐘（初始化為50ms），在第一次啟動A/D轉(zhuǎn)換時，此時P1^6=0，選擇的IN-6，采樣的是給定信號，當采樣周期到時，此時P1^6=1，同時在定時器中啟動A/D轉(zhuǎn)換，此時采樣的是反饋信號，給定信號和反饋信號的采樣值分別存儲在程序的RK和UK1中。模數(shù)單元采用ADC0809芯片，主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分。其主要特點為：單電源供電、工作始終CLOCK最高可達1200KHz、8位分辨率、8個單端模擬輸入端（IN0~IN7）、TTL電平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。通過三端地址譯碼A、B、C多路開關(guān)可選通8路模擬輸入的任何一路進行A/D變換。其中IN1~IN5的模擬量輸入允許范圍：0V~4.98V，對應數(shù)字量為00H~FFH，2.5V對應80H；IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻，所以模擬量輸入允許范圍：-5V~+4.98V,對應數(shù)字量00H~FFH，0V對應80H。在設計過程中使用的TD-ACC+教學系統(tǒng)中的ADC0809芯片，其輸出八位數(shù)據(jù)線以及CLOCK線已連到控制計算機的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應用時鐘1MCLK（1MHz）上。其它控制線根據(jù)實驗要求可另外連接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0~IN7），如圖3-1（2）所示。其中IN6和IN7可以測量-5V~+5V的量，主要是因為加了外部電路。如圖所示，在IN6和IN7的實際輸入端其輸入范圍為0~5V，在外圍電路中，采用兩個相同電阻分壓的方式，因為給了一個5V的電壓，當輸入端為-5V時，0809的實際輸入端為兩者相加之和的一半，為0V，在0809采樣電壓的范圍以內(nèi)。但將該采樣值取進單片機內(nèi)后，其表示范圍為-128~127，對應為0~5V的電壓，所以我們需要在程序里將采樣值減去128以使采樣值與設定值相對應。因此加了外部電路，0809就可以采集-5~+5V的電壓了。3.2D/A輸出電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時間100ns，滿量程誤差1/2LBS，參考電壓-10V~+10V，供電電壓+5V~+15V，輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00H~FFH,80H對應于0V，輸出電壓為-5V~+4、96V。在課程設計過程中采用的TD-ACC+教學系統(tǒng)中的TLC7528，其輸入數(shù)字量得八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經(jīng)接至控制計算機的總線上。片選線預留出待實驗中連接到相應的I/O片選上，如圖3-2。圖3-2D/A輸出電路該芯片TLC7528可以雙極性輸出，但須在單片機中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進行D/A輸出。3.3給定對象硬件電路設計圖3-3給定對象硬件電路圖如圖3-3所示，為被控對象的硬件電路的設計圖，在本次的課程設計中的被控對象傳遞函數(shù)：，其中比例部分由兩個運算放大器組合實現(xiàn)，即，第一個運算放大器的積分部分為，實現(xiàn)被控對象的第一部分，第二個運算放大器的積分部分為，實現(xiàn)被控對象的第二部分。3.4總硬件圖圖3-4總硬件圖4.大林算法控制系統(tǒng)算法設計4.1控制算法的原理實驗算法中，用脈沖傳遞函數(shù)近似法求得對應的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：,將代入，并進行Z變換：式中，經(jīng)計算，無振鈴時，有，于是對應的遞推公式為則程序中

4.2計算機實現(xiàn)的計算機公式推導在4、1中得到了D(z)的最終表達式，而在本實驗中，被控對象為

從而可以知道被控對象的時間常數(shù)為，增益K=8，根據(jù)按最大時間常數(shù)取值，取=0.4s。將各個參數(shù)代入計算：KK0=0.077，KK1=－0.9085，KK3=0.0017864，PP1=－0.3495，PP2=0.95436，PP3=0.039514。對應的遞推公式：u(k)=－0.3495u(k-1)+0.95436u(k-2)+0.039514u(k-3)+0.077e(k)－0.9085e(k-1)+0.0017864e(k-2)由于在二階對象中是引起振鈴的極點因子，令z=1，于是可以得到u(k)=0.0821u(k-1)+0.9179u(k-2)+0.0821e(k)－0.0303e(k-1)+0.0019e(k-2)在程序中：KK0=0.0821，KK1=－0.0303，KK2=0.0019，PP0=0.0821，PP1=0.9179，PP2=0。4.3采樣周期的選擇在本實驗中，定時中斷間隔選取50ms，采樣周期T要求既是采樣中斷間隔的整數(shù)倍，又要滿足，而由被控對象的表達式可知，所以取N=1，。5.大林算法控制系統(tǒng)軟件編程設計5.1主程序與中斷流程圖主程序流程圖：圖5.1-1采樣中斷服務程序流程圖：圖5.1-25.2部分控制程序代碼1.主程序部分源碼：voidmain(void){ TMOD=0x01; t0_h=(65536-15536)/256; //計算定時器0初值 t0_l=(65536-15536)%256; t0_l=t0_l+20; //修正因初值重裝而引起的定時誤差 TH0=t0_h; TL0=t0_l; IT1=1; //邊沿觸發(fā)中斷 EX1=1; //開外部中斷1 ET0=1; //開定時中斷0 TR0=1; //啟動定時器 TC=1; DAC_1=0x80; //D/A清零 UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; //變量清零 EK=EK_1=EK_2=EK_3=0;RK=RK_1=RK_2=RK_3=0; bb=0; EA=1; //開總中斷 FLG=0; DOUT0=0; while(1);}主程序的功能主要是：對定時器的賦值、開外中斷、初始各變量，其中while(1)是使主程序進入死循環(huán)，等待中斷到來。2.采樣中斷程序的部分源碼：（1）判斷同步信號程序： DIN0=1; //讀取輸入前，先輸出高電平if(DIN0) //判同步信號到否 { UK=UK_1=UK_2=UK_3=0; EK=EK_1=EK_2=EK_3=0; RK=RK_1=RK_2=RK_3=0; DAC_1=0x80; //D/A輸出零 TC=1; }（2）雙通道采樣：{ TC--; //判采樣周期到否 if(TC==0) { if(FLG==0) { RK=ADC_7-128; //采樣當前的給定值 DOUT0=1; FLG=1; TC=TK; } else { FLG=0; UK=ADC_7-128; //采樣當前的輸出值，并計算偏差的變化量 DOUT0=0; EK=RK-UK; EK_1=RK_1-UK_1; EK_2=RK_2-UK_2; EK_3=RK_3-UK_3;i=KK*0EK*+KK1*EK_1+EK_2*KK2 j=PP1*UK_1+PP2*UK_2+PP3*UK_3; UK=G*i+j; if(UK>0) //判控制量是否溢出，溢出賦極值 { if(UK>127) aa=127; else aa=(char)UK; } else { if(UK<-128) aa=-128; else aa=(char)UK; } DAC_1=bb+128; //D/A輸出控制量 bb=aa; UK_3=UK_2; //控制量遞推 UK_2=UK_1; UK_1=UK; EK_3=EK_2; //偏差遞推 EK_2=EK_1; EK_1=EK; TC=TK; //采樣周期變量恢復 } } }}雙通道采樣原理說明：由于在主程序中，將DOUT2置“0”，已經(jīng)選擇了采樣通道IN6，第一次進行A/D轉(zhuǎn)換時，對給定信號進行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置“1”，這時將A/D通道IN7選中，等待采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在UK1中，在變量定義中，已經(jīng)將P1.6定義為DOUT2，故改變DOUT2值就改變了P1.6。中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能：對給定信號進行采樣，并將采樣值存儲在RK中，同時將DOUT2置“1”，將A/D通道IN7選中，待采樣周期到時，則采樣反饋信號，并將采樣值存儲在UK1中，接下來便是計算偏差E(k)，計算U(k)，將值通過端口DAC_1在下一周期到來時輸出；再次在該中斷程序中，增加一個變量bb1,用于存儲前一周期的輸出值，這樣使得輸出量能夠延遲1秒輸出；最后就是通過遞推公式，計算實現(xiàn)輸出