计算机控制技术课程设计--具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

《计算机控制技术》课程设计

具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

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目录

一、设计任务 (1)

1.1 题目 (1)

1.2内容与要求 (1)

二、设计思想与方案 (2)

2.1控制策略的选择 (2)

2.2 硬件设计思路与方案 (2)

2.3 软件设计思路与方案 (3)

三、硬件电路设计 (3)

3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)

3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)

3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)

3.4 整机电路 (5)

四、系统框图 (7)

五、程序流程图 (8)

5.1 主程序流程图 (8)

5.2 子程序流程图 (9)

六、数字调节器的求解 (11)

6.1 基本参数的计算 (11)

七、系统的仿真与分析 (13)

7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)

7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)

7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)

7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)

八、设计总结与心得体会 (20)

参考资料 (21)

一、 设计任务

一、题目设计

1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节

()1s

Ke G s Ts τ-=+

的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 具体要求：

✧ 温度传感器、执行机构的选型

✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）

✧ 温度传感器和单片机的接口电路

✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）

✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）

3. 软件部分：

✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象

由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图

✧ 写出主要的单片机程序

4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证

对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)

考虑θ=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。

C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912

具体要求：

✧ 分析控制器能否使系统满足给定性能指标（相角裕度为30°～60°，幅值裕

度>6dB ）

✧ 画出相应的曲线图并标注关键参数

✧ 画出阶跃响应曲线和脉冲响应曲线

5.进行可靠性和抗干扰性的分析

二、内容与要求：

1.知识准备。

基本要求：

✧掌握系统分析和设计的基本要求和特点；

✧系统设计的一般步骤和要点；

✧控制对象及其分析；

✧方案设计和结构图处理；

✧控制任务的分解和模块设计；

✧精度设计（变送器的选择，字长的确定，说明书），可靠性、抗干扰设计

2.自己查找资料和进行书面设计，期间进行普遍性和特殊性辅导

基本要求：

传感器资料；信号归一化资料和低通滤波器资料；现代功率电子技术（变流技术）资料；某一控制机的内存空间和端口空间分配资料计算机控制系统应用例资料。

实验内容和要求：学习查找书面设计相关的资料并进行仿真。

作业要求：按格式和设计内容要求书写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得,

二、设计思想与方案

2.1 控制策略的选择

对于一个计算机控制系统而言，其设计方法有两种：一种是模拟化设计方法，另一种是数字化设计方法。

模拟化设计方法沿用连续控制系统的设计方法，按系统性能指标求得控制系统的校正网络或模拟调节器，然后选择适当的采样频率对其进行离散化而得出由计算机实现的数字调节规律。在模拟化设计方法中，PID算法是一种非常重要和常用的设计方法，其算法简单易行，常常能满足一般问题的求解，但对于大滞后系统而言，却无能为力。史密斯预估补偿算法通过预估补偿器的补偿控制，在一定程度上可解决控制滞后所带来的问题，但其对干扰抵制的效果并不理想，且对过程模型的误差十分敏感，其物理模型的精度较难保证。

直接数字设计法是在已知控制过程或广义对象离散模型的条件下，根据给定系统期望闭环脉冲传递函数或某一优化目标函数出发，直接利用Z变换理论综合设计满足性能指标的数字调节器。在解决大滞后的问题上，直接数字设计法最常用的一种方法是达林算法。达林算法不但可以解决大滞后问题，而且可大小减小系统过程中的超调量，还可消除振铃现象。

综上所述，可以采用达林算法对此大滞后控制系统进行控制。

2.2 硬件设计思路与方案

实现达林算法的控制，就是采取计算机控制系统对温度控制系统进行控制。在此，计算机可采用单片机8051。

要对温度进行控制，首先要采用温度传感器对温度进行检测。由于传感器的输出信号较为微弱，故必须经放大后才能输入A/D 转换单元。通过A/D 转换，将放大后的模拟信号转化为数字信号后输入8051单片机，在单片机内部进行比较处理和达林算法运算后把结果送D/A 转换单元。经D/A 转换后，经过驱动使温度调节器进行相应的动作，从而达到及时控制温度的目的。

在A/D 转换器或D/A 转换器与8051的连接时，要解决的问题是芯片的物理地址。这就须要采用地址锁存器74373及译码器74138。通过译码进行片选，可知各芯片的物理地址。

另外，A/D 转换器与D/A 转换器还涉及一个位数与转换精度的问题。根据题

目要求，温度测量范围为50~200

o o C C -，分辨率为0.2o C ，则测量是量程为200(50)250o o o C C C --=，再由250212500.2o n

o C C >=，可得10.29n >。可取12n =，即采用12位的ADC 和12位的DAC 。

当采用12位ADC 进行模/数转换时,其分辨率为122500.062

o o C C ≈≤0.2o C ,满足设计要求。

2.3 软件设计思路与方案

软件设计是计算机控制系统中最为重要的一部分，其设计的好坏直接关系到整个系统的性能。如果软件设计得不好，则会导致系统达不到所要求的性能指标，甚至使整个系统因不能正常运行而造成生产事故。

思路如下：首先，单片机要对整个系统进行采样，这里就涉及采样时间的问题，而采样时间可由8051内部定时器来实现。当A/D 转换器转换完毕后，可通过标志位对8051的外部中断0INT 或1INT 提出中断请求，在中断子程序里8051CPU 运用达林算法对经A/D 转换后的数据进行处理。处理完毕后，选通D/A 转换器，把数字量转化为模拟量再对温度调节器进行控制。

三、 硬件电路设计