基于大林算法的炉温控制系统

计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期

设计课题：基于大林算法的炉温控制系统

目录

1 课题简介

课题目的

课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。

《计算机控制系统》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。

课题任务

设计以89C51单片机和AD 、DA 驱动电路、控制电路、滤波电路、被控对象电路等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。

1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用DAC0832和运放等）；由运放实现的被控对象。

2. 控制算法：大林控制算法。

3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。

4.仿真设计：用Matlab 仿真闭环控制系统。

设计要求

1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。

2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。

3. 选择被控对象：G (),3.341

s

c e s T s τ-=

=+ 4. 对象的纯延迟环节s

e

τ-用软件通过数组单元移位实现。

5. 定时中断间隔选取50ms ，采样周期T 既要是采样中断间隔的整数倍，又满足

(0.2~1)T τ=。

6. 闭环系统时间常数T τ按倍的被控对象最大时间常数选择。

2 大林算法控制系统方案设计

大林算法总体介绍

+

)(r t )

(t e D(Z)

U(Z)

s

e Ts

--1G(S)

C(T)

-

图2-1 大林算法设计的闭环控制系统方框图

在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，这种系统如果控制器设计不当，常常会引起系统产生大的超调或振荡。对这类系统的控制要求，快速性是次要的，

而主要要求系统没有超调或很少的超调。大林（Dahlin ）算法就是一种专门针对工业生产过程中含有纯滞后控制对象的直接数字设计算法。

振铃现象及其消除

所谓振铃（Ringing ）现象，是指数字控制器的输出u(k)以2T 大幅度上下摆动。 振铃现象会引起采样点间系统输出纹波，增加执行机构的磨损，影响多参数系统稳定性。 振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样时间、纯滞后时间的大小等有关。

2.2.1振铃现象产生的根源

由于()()()()()Y z R z z U z G z φ==，()

()()

u z z G z φφ=，得()()()u U z z R z φ=，则对单位

阶跃输入1

1

()1R z z

-=

-，它有极点z =1，如果()u z φ的极点在负实轴上，且与z = -1接近，则上述两个极点造成的输出瞬态项在不同的时刻可能叠加也可能抵消，导致输出出现波动。

2.2.2振铃现象的消除

找出D(z)中引起振铃的因子（z = -1附近的极点），令其中的z = 1。取消了这个极点，可以消除振铃。系统稳态值不变，但瞬态特性会变化，数字控制器的动态性能也会有影响。根据终值定理，t →∞时，对应1z →，因此这样处理不影响输出的稳态值。

注意：大林算法由于修改了控制器的结构，使系统闭环传函φ(z) 也发生了变化，一般应检查其在改变后是否稳定。

大林算法只适合于稳定的对象。如果广义对象的Z 传函G(z)中出现了单位圆外的零点，它将引起不稳定的控制，在这种情况下，相应于控制器中的这一不稳定极点，可采用前面消除振铃极点相同的办法来处理。

系统闭环工作原理

在本次大林算法控制系统中，系统先进行A/D 采样，将给定值采样值取到单片机内，之后单片机会选择另外一路通道，进行输出值即反馈值的采样。将输出值采样到单片机内后，在单片机中进行差值E(K )计算，再通过单片机中的算法程序得到输出量U(K )，再经过D/A 变换器，将输出结果作用于被控对象。经被控对象的输出值又将作为反馈值被采样到单片机内。

系统的结构框图

电加热炉控制系统的硬件结构框图如图：

图2-2 系统的总体结构框图

3 大林算法控制系统硬件电路设计

驱动电路

温度控制系统

ADC0809

AT89C51

电加热炉

键盘

DAC083

3.1 A/D采样电路

图3-1 A/D采样硬件电路图 D/A输出电路

图3-2 D/A输出电路

驱动电路设计

图3-3 驱动电路电路图给定对象硬件电路设计

图3-4 给定对象硬件电路图

总硬件图

图3-5 总硬件图

4 大林算法控制系统算法设计

控制算法的原理

设计数字控制器使系统的闭环传函为具有纯滞后的一阶惯性环节，且其滞后时间等于被控对象的滞后时间。并希望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同。其中为闭环系统的时间常数，纯滞后时间与采样周期T 有整数倍关系。

控制器的设计过程

首先被控对象的传递函数：(),3.341

s

C e G s T s τ-=

=+ (4-1) 其中1T s =，2T s τ=。

经计算： 2

10.2587z ()10.7413G z z --=- (4-2)

2

10.3935() 10.6065z z z --Φ=- (4-3)

1111.5211(10.7413)

()(1)(10.3935)

z D z z z ----=-+ (4-4)

2

345()0.39350.63220.77690.8647Y z z

z z z ----=-+++L (4-5)

1234() 1.5228 1.3175 1.193 1.1176 1.0718U z z z z z ----=+++++L (4-6)