1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機(jī)控制課程設(shè)計 學(xué) 院 自動化科學(xué)與工程 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 班級 提交日期 2013 年 9 月 5 日指導(dǎo)老師目 錄1） 課程設(shè)計任務(wù)題目及要求2） 課程設(shè)計任務(wù)對象與論證3） 控制器的計算、選擇以及系統(tǒng)仿真4） 硬件電路的設(shè)計 5） 系統(tǒng)框圖 6） 程序流程圖 7） 參考文獻(xiàn) 八）心得體會 一、 課程設(shè)計任務(wù)題目及要求總體：設(shè)計一個具有大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，字?jǐn)?shù)不少于3000字。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)計一個計算機(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

2、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要求：1、 針對一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)：² 工程要求相角裕度為30°60°，幅值裕度>6dB² 要求測量范圍-50200，測量精度0.5，分辨率0.22、 書面設(shè)計一個計算機(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編寫程序流程圖；4、 用MATLAB和SIMULINK進(jìn)行仿真分析和驗證;二、 課程設(shè)計任務(wù)對象

3、與設(shè)計的分析論證1.控制對象的分析與說明本設(shè)計的控制對象是一個含有具有大時滯的一階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，而在通常的溫度控制系統(tǒng)中，控制對象往往就可以視作含有一個大純時延時間的一階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，故本次計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計則可以以一個溫度控制系統(tǒng)為例設(shè)計：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)干擾時能夠較快地恢復(fù)到設(shè)定值。讓純時延為T/2，被控對象傳遞函數(shù)為： 需要對這一傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，添加適當(dāng)?shù)目刂破鳎詽M足設(shè)計要求，取得預(yù)期效果。2.系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟和要點投入運(yùn)行硬件有錯？完成控制目的？調(diào)試硬件布線和安裝系統(tǒng)試運(yùn)行寫EPPROM達(dá)到預(yù)期目的？編制源程序、調(diào)試和

4、仿真元器件芯片選擇和測試畫應(yīng)用程序流程圖開關(guān)量、模擬量I/O通道設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)控制工藝流程圖控制對象的功能和工作過程的分析建模：描述控制量和輸出量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系； 確定控制任務(wù)：動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)； 選擇算法；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)總線的選擇； 內(nèi)存空間分配：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用程序、待擴(kuò)充； I/O分配：模擬/開關(guān)量I/O、待擴(kuò)充； 模擬量I/O通道的配置；中斷、查詢處理方式的確定；即組構(gòu)計控系統(tǒng)原理描述圖，包括信號流程圖（接合控制對象的工藝流程）； 給定量方式線路方案 采樣信號口地址分配 內(nèi)存參數(shù)區(qū)濾波環(huán)節(jié) 控制量輸出信號標(biāo)準(zhǔn)化 算法步驟技術(shù)指標(biāo)負(fù)載考慮如MOS、TTL器件邏輯電平、I/O電流、

5、輸入/輸出 能力，以及緩沖器的選擇 N Y 機(jī)箱設(shè)計、布線走向 電路板設(shè)計 端接板配置 Y N N Y三、控制器的計算，選擇，和系統(tǒng)的仿真1、當(dāng)傳遞函數(shù)為時，用MATLAB繪出其波特圖：程序為： num=120;den=0.0124 1;g=tf(num,den,'iodelay',0.0062);margin(g);grid on; 波特圖為：由上圖可知，幅值裕度為-0.276dB<6dB,相角裕度為-107deg，不滿足題目要求。故需對對象進(jìn)行合理控制使其工作符合要求,需要進(jìn)行設(shè)計。2.算法選擇l 最小拍無紋波：即最少調(diào)整時間系統(tǒng)，在給定某種典型輸入（如單位階躍輸入、

6、單位速度輸入或單位加速度輸入）條件下，通過設(shè)計一個控制規(guī)律使得閉環(huán)系統(tǒng)輸出具有最快的響應(yīng)速度，且輸出的采樣點之間沒有紋波。在滿足系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可實現(xiàn)性條件下，設(shè)計出來的數(shù)字調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)無靜差的穩(wěn)定狀態(tài)。但是最少拍系統(tǒng)存在著局限性：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。l Dalin算法：在控制系統(tǒng)設(shè)計中，純滯后往往是影響系統(tǒng)動態(tài)特性的不利因素，如在熱工和化工的許多工業(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。

7、而事實上，對這類系統(tǒng)的控制要求，快速性是次要的，而主要要求系統(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)計算法。l 對溫度控制系統(tǒng)的要求, 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)計目標(biāo)是對帶時延的一階或二階慣性環(huán)節(jié)工業(yè)對象，設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為具有純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)，目的是使輸出無超調(diào)或者超調(diào)很小。結(jié)合本次課程設(shè)計的控制對象數(shù)學(xué)模型，若其為不帶延時的一階慣性環(huán)節(jié)，則選用（1）方案，用最少拍無波紋來設(shè)計控制器；若其為帶時延的一

8、階慣性環(huán)節(jié)，而設(shè)計目標(biāo)就是無超調(diào)或者超調(diào)很小，故選用（2）方案，用Dalin算法來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。 3. 控制器設(shè)計當(dāng)傳遞函數(shù)為 時，由于控制對象的純時延特性常導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。有資料指出，當(dāng)對象的純延遲時間與對象慣性時間常數(shù)之比大于等于0.5時，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。帶純時延特性的一階慣性環(huán)節(jié)如下： 其中，0.0062，0.0124，K=120。由達(dá)林算法，取得系統(tǒng)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 式中，0.0124 ，大于，則RA0，無振鈴現(xiàn)象。由于L×T，取L2，可得T/20.0031s0.7788，0.7788由以上數(shù)

9、據(jù)可得系統(tǒng)期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：H（z）被控對象的廣義脈沖傳遞函數(shù)為：G（z）K數(shù)字控制器的控制規(guī)律為：D（z）系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：D(z)G(z)加上比例的控制器：D(z)= G(k)= 由以上結(jié)果，通過MATLAB仿真結(jié)果如下：輸入程序：Ts=0.0031dnum=0,0,0,0.2212dden=1,-0.7788,0,-0.2212Zk=tf(dnum,dden,Ts)margin(Zk)輸出結(jié)果：Ts = 0.0031dnum = 0 0 0 0.2212dden = 1.0000 -0.7788 0 -0.2212Transfer function: 0.2212-z3 -

10、0.7788 z2 - 0.2212Sampling time: 0.0031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12.2dB，相角裕度為71deg，可見該系統(tǒng)并不符合設(shè)計要求，故需要加入適當(dāng)?shù)谋壤鲆妫档拖到y(tǒng)的相角裕度。加入一個適當(dāng)?shù)谋壤鲆?之后，MATLAB仿真程序以及結(jié)果如下：輸入程序：Ts=0.0031dnum=0,0,0,0.4424dden=1,-0.8032,0,-0.1968Zk=tf(dnum,dden,Ts)margin(Zk)輸出結(jié)果：Ts = 0.0031dnum = 0 0 0 0.3982dden = 1.0000 -0.8032 0 -0.19

11、68Transfer function: 0.3982-z3 - 0.8032 z2 - 0.1968Sampling time: 0.0031由上圖可知，系統(tǒng)的幅值裕度為6.9dB，相角裕度為54deg。可見，加入了一個2的比例增益之后，系統(tǒng)的性能能夠符合設(shè)計要求。采用MATLAB的SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖如下：通過SIMULINK仿真的結(jié)果如下：由上圖可知，在t1s時對系統(tǒng)施加一個單位階躍給定輸入信號，在規(guī)定的采樣周期時間之后一定的微小延遲系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定。系統(tǒng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)過程也較快，調(diào)節(jié)性能保持較佳狀態(tài)。系統(tǒng)在一個采樣周期之后一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定，并準(zhǔn)確跟隨輸入信號，調(diào)節(jié)性能

12、良好，整個系統(tǒng)性能足以滿足設(shè)計要求。4、 硬件電路設(shè)計1. 硬件設(shè)計思路與方案實現(xiàn)達(dá)林算法的控制，無疑是采取計算機(jī)控制系統(tǒng)對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。在此，計算機(jī)可采用單片機(jī)8051。要對溫度進(jìn)行控制，首先要采用溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測。由于傳感器的輸出信號較為微弱，故必須經(jīng)放大后才能輸入A/D轉(zhuǎn)換單元。通過A/D轉(zhuǎn)換，將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸入8051單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行比較處理和達(dá)林算法運(yùn)算后把結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換單元。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過驅(qū)動使溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行相應(yīng)的動作，從而達(dá)到及時控制溫度的目的。在A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與8051的連接時，有一個問題是芯片的物理地址。這就需要

13、采用地址鎖存器74373及譯碼器74138。通過譯碼進(jìn)行片選，便可知各芯片的物理地址。另外，A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器還涉及一個位數(shù)與轉(zhuǎn)換精度的問題。根據(jù)題目要求，溫度測量范圍為，分辨率為，則測量是量程為，再由，可得。可取，即采用12位的ADC和12位的DAC。當(dāng)采用12位ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時,其分辨率為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計要求。2. 溫度傳感器輸出端與ADC的連接由上分析可知，本設(shè)計需要采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，可采用AD574A芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于溫度傳感器的輸出電壓較小，電壓值通常為毫安級，故必須經(jīng)放大后才能輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，運(yùn)算放大器選擇LM139。為了提高溫度傳感器的靈敏度，可

14、將溫度傳感器接入平衡電橋中，經(jīng)差動放大后再輸入到AD574A的10VIN輸入端。溫度傳感器輸出端與ADC的連接如圖一所示：圖一 溫度傳感器輸出端與AD574A的連接3.ADC與單片機(jī)8051的連接8051的P0口作為AD574A的地址線，P0口和P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作為數(shù)據(jù)線，用于接收獲取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為AD574A的片選信號輸入。AD574A與8051的連接圖如下所示：圖二 AD574A與8051的連接圖4. 單片機(jī)8051與DAC的連接 由上分析，本設(shè)計需要采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，與之

15、相對應(yīng)，可采用12位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。8051的P0口作為DAC1208的地址線，P0口和P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口作為數(shù)據(jù)線，用于傳送經(jīng)達(dá)林算法后的運(yùn)算結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為DAC1208的片選信號輸入。8051與DAC1208的連接圖如下所示：圖三 8051與DAC1208的連接圖5.整機(jī)電路綜合上述，可得計算機(jī)控制系統(tǒng)整機(jī)電路如下圖所示：（a） 傳感器信號放大輸出Vin5、 系統(tǒng)框圖結(jié)合整體電路圖，易得本計算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如下圖（a）所示。圖（b）是其等效系統(tǒng)模型，為采樣周期，D(z

16、)為數(shù)字調(diào)節(jié)器，為采樣保持器，為廣義對象。溫度數(shù)字量給定單片機(jī)DAC溫度調(diào)節(jié)器被控對股集團(tuán)象+ADC溫度傳感器-計 算 機(jī)溫度放大電 路（a）D（z）G（s）y溫度數(shù)字量給定+-計 算 機(jī)（b）圖五 大滯后溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖中，由單片機(jī)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC1208組成計算機(jī)系統(tǒng)。溫度傳感器的輸出信號（經(jīng)放大電路放大后）作為計算機(jī)系統(tǒng)的輸入信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后與計算機(jī)內(nèi)部的溫度數(shù)字量進(jìn)行比較，從而得出偏差信號，偏差信號再經(jīng)過單片機(jī)8051CPU進(jìn)行達(dá)林算法處理后將運(yùn)算結(jié)果送往數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給溫度調(diào)節(jié)器，使之產(chǎn)生相應(yīng)的動作，從而達(dá)到控制被控對象溫度的目的。

17、六、程序流程圖6.1 主程序流程圖主程序采樣值形成？初始化否清采樣標(biāo)志查表和對應(yīng)溫度溫度值送AD574AA/D轉(zhuǎn)換值送8051達(dá)林算法得控制量啟動DAC1208轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換值送溫度調(diào)節(jié)器器是圖六 主程序流程圖6.2子程序流程圖讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果置采樣標(biāo)志位中斷返回采樣周期已到？重置采樣值定時值啟動AD574A中斷返回是否啟動AD574A讀模擬輸入量A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)果送8051A/D轉(zhuǎn)換子程序返回達(dá)林算法結(jié)果送P1口啟動DAC1208D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)果送溫度調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換子程序返回中斷子程序中斷子程序(a)(b)(c)(d)圖七 子程序流程圖7、 參考文獻(xiàn) 豆丁網(wǎng)、百度文庫相關(guān)資料計算機(jī)控制技術(shù) 華

18、南理工大學(xué)出版社 黃道平 溫鋼云計算機(jī)系列課程實驗指導(dǎo) 華南理工大學(xué) 曾琪琳 梁佑彬自動控制原理 華南理工大學(xué)出版社 高國燊 余文烋 彭康擁單片機(jī)原理及應(yīng)用實驗指導(dǎo)書，史步海等編著，華南理工大學(xué)教材供應(yīng)中心單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，胡漢才編著，清華大學(xué)出版社MATLAB與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及CAD，黃道平編著，化學(xué)工業(yè)出版社八、心得體會 我覺得課程設(shè)計是一個很好地檢測我們的學(xué)完一門課程的實踐活動，每完成一次課程設(shè)計，我都對相應(yīng)的課程有更加深刻的理解，并且自己的動手能力、實踐能力都得到一定的提升。這次的計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計也一樣，經(jīng)過這次的實踐，我體會良多！ 這次的計控課程設(shè)計時間不多，老師的面對面指導(dǎo)也不多，因為時間較緊，所以這次的課程設(shè)計比以前的課程設(shè)計更加具有挑戰(zhàn)性。因為很多東西都需要我們獨立完成，所以，在這一過程中，就有更多的“遇到問題，解決問題。”的過程，更加考驗我們的獨立學(xué)習(xí)能力。很多東西都需要我們自己上網(wǎng)查找資料，并且查閱各種參考文獻(xiàn)。在這一過程中，我體會到，原來查找資料都是一門高深的學(xué)問，需要快速、準(zhǔn)確地在資料堆里面找到你想查閱的東西不是一件簡單的事情。經(jīng)過這次的課程設(shè)計，我感覺自己查找資料方面的能力也有了很大的提升。 這次的設(shè)計中，必須