第9章自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例9.1引言9.2溫度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.3倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.4小結(jié)9.1引言 通過(guò)前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)了解并掌握了自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、基本原理、分析與設(shè)計(jì)的基本方法，在石油化工、發(fā)電廠、冶金行業(yè)中自動(dòng)控制應(yīng)用的案例很多。這里，主要通過(guò)兩個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例，即溫度控制器和倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更好地學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理在實(shí)踐中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新與創(chuàng)造精神，達(dá)到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。9.2溫度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及日常生活中，溫度是一種常用且需要控制的參數(shù)。在冶金、化工等諸多領(lǐng)域中，人們均需要對(duì)各類加熱爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。此外，各類家用電器，包括空調(diào)、熱水器、烤箱等。可以說(shuō)，任何物理變化和化學(xué)變化的過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，溫度的檢測(cè)和控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面，也是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要任務(wù)之一。

本設(shè)計(jì)選用當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域中常用的熱電阻(Pt100)、熱電偶和數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器(DS18B20)作為溫度感知元件，并分別設(shè)計(jì)溫度測(cè)量和信號(hào)調(diào)理電路，選用市場(chǎng)上常見(jiàn)的開(kāi)水煲制成的簡(jiǎn)易微型電阻爐作為被控過(guò)程，完成多種控制算法(包括常規(guī)PID控制、增量式PID控制、不完全微分型PID）。此外，在實(shí)現(xiàn)基本控制目標(biāo)的前提下，本設(shè)計(jì)還自定義了無(wú)線通信協(xié)議，編寫(xiě)了友好人機(jī)交互界面，借助無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)實(shí)時(shí)改變，控制過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能等，發(fā)展成為可用于控制理論教學(xué)實(shí)踐的典型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。小結(jié)

本章主要結(jié)合對(duì)自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)，以溫度控制和倒立擺控制作為兩種典型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了PID和LQR控制算法在實(shí)際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)溫度控制可通過(guò)人工設(shè)定或自整定PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方法適用性強(qiáng)。

對(duì)本身是一個(gè)多變量、不穩(wěn)定、復(fù)雜的非線性倒立擺系統(tǒng)，可利用現(xiàn)代控制理論實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性控制。

本章對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)算法采用狀態(tài)反饋的極點(diǎn)配置法和LQR最優(yōu)控制方法進(jìn)行。為了便于讀者自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這里的兩種典型控制系統(tǒng)案例均采用相同的控制芯片，并創(chuàng)新性地加入無(wú)線通信協(xié)議和人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸控制參數(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的功能。此外倒立擺系統(tǒng)還創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)