计算机控制课程设计——大纯时延一阶惯性环节温度控制系统

目录一）课程设计内容任务 (3)二）对课设任务的解读 (3)三）系统结构模型框图 (3)四）各部分程序流程图 (4)五）数字控制器设计 (5)六）系统仿真 (6)七）抗干扰性分析 (11)八）硬件设计 (13)九）系统设计硬件元素选型 (14)十）心得体会 (16)十一）参考文献 (16)附硬件设计图一、课程设计内容任务1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(G(s)=K*e-θs/(Ts+1))温度控制系统和给定的系统性能指标，(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；4、用MATLAB和SIMULINK进行仿真分析和验证；K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’,C),T=ran d(1), θ=0或T/2，C为学号的后3位数，如：C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912；5、进行可靠性和抗干扰性的分析；6、书写设计体会和心得。

二、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制，选取实际生活中常见的温度为控制对象；2、该任务只需要一个控制对象，进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量，观察仿真图形和性能，故可以选取简单回路控制系统模型进行设计；3、硬件设计过程采取分步设计，由局部到整体，主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数码管显示等；4、取θ= T/2，大纯时延系统的控制算法有多种，根据其特定性能，本设计在PID算法和达林算法之间权衡之后做出选择，最终采用达林控制算法来实现系统控制，取期望闭环传递函数H(s)，求解出数字控制器D(z)及其差分方程；5、编写程序流程图，采取正确的思路和方法，包括主程序流程图、8155初始化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等；6、仿真分析和验证过程采用MATLAB和SIMULINK实现，主要针对仿真性能调节系统参数，并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。

三、系统结构模型本系统采用简单回路计算机控制系统，其输入为温度设定值，输出为调节控制信号，整个系统由以下图所示各部分组成。

1、如下图所示为简单回路计算机控制系统框图，由输入设定值与系统输出值的偏差传递到数字控制器，并产生控制信号，针对本设计所假定的特定控制对象温度进行循环重复式的校正和调节。

2、如下图所示为本设计计算机控制系统的硬件结构框图（简单回路计算机控制系统的结构图），主要由模拟输入通道和模拟输出通道组成，通过该回路对控制对象不断的调整，指导满足系统要求及各项性能指标。

四、各部分程序流程图由于要使用计算机作为控制设备，要对温控对象实现较好的控制，使其满足较好的性能指标，故本设计采取程序主要包括如下部分：主程序T1中断程序采样中断程序达林算法程序等各程序流程如下图所示：主程序主要是对电路进行初始化，并且开相关的中断，使到设备对温度进行采样、控3、达林算法控制程序 计算数字控制器的控制信号， 每次读取e （k ），然后计算出参数， 输出控制序列u （k ），然后变换e （k －1）、e （k －2）， u （k －1），u （k －2）， 为下一次计算作准备。

达林算法程序流程图：用于对温度进行采样，对采样温度值的处理用了连续N次，再取平均的方法得到最后的平均采样温度值。

在开始时，对采样设备进行初始化，设定采样次数以及计算次数，然后结束后，计算出平均值，进行A/D转换，并输送给处理器。

采样程序流程图五、数字控制器设计（取θ= T/2） 本人学号200xxxxx 232，所以C ＝232根据设计要求，用matlab 计算出系统参数，确定系统的传递函数。

对于系统s T Ke s G st ⋅+=⋅-1)(0式中：T ——时间常数 K ——调节系统总的放大倍数 t ——系统的纯滞后时间，且Ts N t ⋅=，Ts 为采样周期。

计算用程序：>> k=10*log(232*232-sqrt(232)) k =108.9319>> rand('state',232); >> t1=rand(1) t1 =0.0090θ=t1/2＝0.0045代入数据，系统的传递函数为：10090.09319.108)(0045.0+=-s e s G s其波特图为：由图可知，其幅值裕度与相角裕度均不符合要求，系统性能差，需要校正。

按照设计要求，运用计算机作为控制装置对系统进行校正。

当对象的纯延迟时间θ与对象惯性时间常数Tm 之比大于等于0.5时，采用常规PID 算法难于获得良好的系统性性能。

达林算法的目标是设计一个合适的数字控制器,使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有滞后的一阶惯性环节，且它得纯时延时间与被控对象时延相同。

跟史密斯对比起来，达林算法比较适合的被控对象多为工业中的热工或化工过程中，被控对象具有纯滞后环节且容易引起系统超调和持续的振荡。

综合考虑之后，决定采用达林算法来进行数字控制器的设计。

由达林算法知：被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节：01()1ske G s s θτ-=+ ，假设其期望的闭环传递函数为：()1se H s s θτ-=+，其中s LT θ=，s T 为采样周期，L 为整数。

由此可得到：111)1(011)]()([)(-+---==z Kzs G s G Z z G L h σσ，])1(1)[1()1)(1()()1(1111+---------=L z z K z z D σσσσσ， 其中：111(~)23ττ=；1//1;s T Ts e e ττσσ--==。

确定参数值过程：K=k =108.9319τ1 =0.0090θ=t1/2＝0.0045τ=（1/2~1/3）τ1=0.002Ts=θ/L=0.0090/2=0.00225 σ＝e －TS/t ＝e -1.125 ＝0.3247 σ1＝e －TS/t1＝e -0.25 ＝0.7788137788.0110.24)(---=z Z z G3116753.03247.010218.00280.0)(------=z z z z D所以由()D z 表达式可以求出其差分方程为：()()(1)(1)(1)(2)u k Ae k Be k Cu k C u k =--+-+--；其中：11(1)A k σσ-=-=0.02801B A σ==0.0218C σ==0.3247 1- C=0.6753由此求得本系统其差分方程为：u(k)= 0.0280e （k ）－0.0218e （k －1）＋0.3247u （k －1）+0.6753u （k －2）六、系统仿真 1.2 0.810361 对设计后连续系统3136753.03247.016753.0)(*)()(-----==zz z z D z G z D k 进行分析由上图可知，幅值裕度为9.44db（大于6db的要求），相角裕度为68度（大于60度的要求），故设计符合规定。

2离散系统仿真系统结构图如下：通过示波器观察波形系统的波形稳态误差e（t）波形：数字调节器波形系统输出y（t）波形分析：系统到一定时间后稳态误差为0，数字调节器输出的控制信号稳定，系统输出与输入相匹配，由此可得系统性能良好。

七、抗干扰性分析1、当干扰信号为介跃信号（此时输入为0，干扰信号大小为10）稳态误差波形：系统输出波形分析：由图可得，当加一定的介跃干扰信号后，系统受到介跃信号的干扰，但到一定的时间后，由于系统具有抗干扰的功能，会自动消除干扰所带来的影响，恢复到回来的状态，如图所示，系统稳态误差到一定时间后为0 ，系统输出跟输入信号相匹配，故系统对于为介跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。

2、干扰信号为脉冲信号（输入信号为0）干扰信号波形稳态误差波形系统输出波形分析：由图可得，当加一定的介跃干扰信号后，系统受到脉冲信号的干扰，但到一定的时间后，由于系统具有抗干扰的功能，会自动消除干扰所带来的影响，恢复到回来的状态，如图所示，系统稳态误差到一定时间后为0 ，系统输出跟输入信号相匹配，故系统对于为脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。

3 系统现实情况模拟仿真：保持系统不变，分别在两个时段不同位置上加两个介跃信号，如下图所示：1、在输入处，加入一个r（t－10）＝100的介跃信号（即当t>＝10s时，r（t）＝100，当t<10s时，r（t）＝0），用来模拟在现实情况下，某一随机时刻，需要在控制过程中改变系统温度时，所需要的改变输入信号。

2、在控制过程处，加入一个r（t－20）＝10的介跃信号（即当t>＝20s时，r（t）＝10；当t<20s时，r（t）＝0），用来模拟在现实情况下，某一随机时刻，有干扰信号参入的系统中。

下图将仿真结果列出：稳态误差e（t）波形数字调节器输出波形系统输出波形分析：当系统输入突加给定时，稳态误差发生变化，数字调节器根据变化产生控制信号，使系统输出跟随输入信号的变化，达到稳定状态。

当又到系统受到干扰时，数字调节器再次根据稳态误差产生控制信号，消除干扰的影响，使到系统回复到稳定状态。

说明系统具有良好的调节性能以及抗干扰性能。

八、硬件设计1、复位和晶振电路：其中VCC为5V，晶振频率为12MHzD1的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R0电阻短路，让C3快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。

当80C52在工作时，按下S0开关时，复位脚变成低电平，触发80C52芯片复位。

2、单片机接口扩展电路：通过80C52的P20、P21、P22产生片选信号，通过74LS138的译码电路进行译码，分别对3片8155进行片选。

3、模拟输入通道：信号输入过程为：温度检测滤波整形放大 A/D转换并行接口8155CPU通过温度检测电路将温度信号转换成电流、电压信号，再通过滤波整形及放大电路，输入到A/D转换器中，通过8155的PC口控制A/D转换器的选通、采样、转换、读入，在同个采样周期重复进行上述过程，并取平均值作为该采样周期的值，再与给定信号比较，通过CPU的计算得出控制值，再通过模出通道对对象进行控制。

1）温度检测及整形滤波放大电路：如上图中所示，检测部分采用桥式压差检测电路，经过低通有源滤波放大电路，得到ADC0809的模拟输入电压（0－5V之间）信号,并将信号传送给AD0809IN0口。