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=rand(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。
计算机控制技术
计算机控制技术课程设计目录绪论------------------------------------------------------------------3 控制系统建模------------------------------------------------------3 系统结构------------------------------------------------------------4 最小拍算法---------------------------------------------------------5 大林算法------------------------------------------------------------8 算法比较------------------------------------------------------------12 总结------------------------------------------------------------------13 参考文献------------------------------------------------------------13基于最小拍算法和大林算法的电阻温度炉的炉温控制系统设计比较选择绪论计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。
本设计电阻炉是现代工业中应用最多的加热设备，广泛应用于化验室样品熔样，冶金冶炼，热处理中工件的分段加热和冷却等。
针对具有大纯滞后环节的电阻炉温度控制系统,设计了单片机控制电路，采用了最小拍算法和大林算法,组建了系统的组态，进行了系统仿真分析，控制效果良好,根据工程实际需要进行适当选择。
具有一阶纯滞后环节设计
目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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MA TLAB 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。
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。
1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。
整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。
以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。
图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
计算机控制技术课程设计
计算机控制技术课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握计算机控制技术的基本原理和应用方法。
通过本课程的学习，学生将能够：1.知识目标：理解计算机控制技术的基本概念、原理和特点；熟悉计算机控制系统的组成和分类；掌握常见的计算机控制算法和应用。
2.技能目标：能够运用计算机控制技术解决实际问题；具备分析和设计简单计算机控制系统的的能力。
3.情感态度价值观目标：培养学生对计算机控制技术的兴趣和好奇心，提高学生运用科学技术解决实际问题的意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.计算机控制技术概述：计算机控制技术的起源、发展及其在各个领域的应用。
2.计算机控制系统的基本原理：模拟计算机控制系统、数字计算机控制系统、混合计算机控制系统。
3.计算机控制系统的组成：控制器、执行器、传感器、反馈元件等。
4.计算机控制算法：PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等。
5.计算机控制技术的应用：工业自动化、交通运输、楼宇自动化等。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学：1.讲授法：通过讲解计算机控制技术的基本概念、原理和特点，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解计算机控制技术的应用。
3.实验法：让学生动手进行实验，培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。
4.讨论法：学生进行课堂讨论，激发学生的思考，提高学生的表达能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用国内权威出版社出版的计算机控制技术教材。
2.参考书：提供相关的计算机控制技术参考书籍，供学生自主学习。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，丰富教学手段，提高教学效果。
4.实验设备：准备计算机控制系统实验装置，让学生能够实际操作，加深对知识的理解。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂参与、提问、讨论等方式，评估学生的学习态度和积极性。
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班级：姓名：学号：指导老师：日期：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()1sKe 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。
计算机控制技术课程设计方案
2018级计算机控制技术课程设计一、电炉烤箱温度控制系统设计<16组完成）被控对象为电炉烤箱，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。
功率3Kw可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，=30s，K d=50，τ=10sd要求：采用数字第1组：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受K p、T i、T d、T及β的值；3）通过数据分析K p改变时对系统超调量的影响。
4）撰写设计说明书。
第2组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析T i改变时对系统超调量的影响。
第3组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析T d改变时对系统超调量的影响。
第4组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析T d改变时对系统超调量的影响。
第5组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析β改变时对系统超调量的影响。
第6组：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）撰写设计说明书。
第7组-第11第7组：基本要求同第1组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第8组：基本要求同第2组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第9组：基本要求同第3组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第10组：基本要求同第4组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第11组：基本要求同第5组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第12组-第16第12组：基本要求同第1组，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。
第13组：基本要求同第2组，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。
第14组：基本要求同第3组，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。
(整理)具有一阶纯滞后环节设计
目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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MA TLAB 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。
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。
1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。
整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。
以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。
图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
计算机控制技术课程设计
计算机控制技术课程设计计算机控制技术课程设计一、引言随着科技的不断发展和进步，计算机控制技术在工业、交通、能源等领域的应用越来越广泛。
为了更好地理解和应用计算机控制技术，我们需要进行课程设计。
本文将围绕计算机控制技术课程设计的目的、任务和要求，以及设计方法和步骤进行详细阐述。
二、计算机控制技术计算机控制技术是利用计算机对工业过程进行自动控制的一种技术。
它以计算机为控制中心，通过数据输入、处理和控制输出，实现对工业过程的自动化控制。
计算机控制技术的主要内容包括控制系统设计、程序设计、数字信号处理等。
控制系统设计是计算机控制技术的核心，需要根据控制系统的要求，选择合适的硬件和软件，设计出高效、稳定的控制系统。
三、课程设计的目的和任务课程设计的目的在于通过实践，加深学生对计算机控制技术的理解和掌握，提高学生的编程能力、系统设计和调试能力。
课程设计的任务包括：1、设计并实现一个计算机控制系统，能够实现数据的采集、处理和控制输出；2、编写控制系统的程序，实现系统的自动化控制；3、对控制系统进行调试和测试，确保系统的稳定性和可靠性。
四、课程设计的要求课程设计的要求包括：1、设计出的控制系统应具有高效性、稳定性和可靠性；2、程序应具有良好的可读性和可维护性；3、测试数据应具有完整性和准确性。
五、设计方法及步骤课程设计的具体方法和步骤如下：1、确定控制系统的需求和分析；2、选择合适的硬件和软件，设计出控制系统的总体结构；3、编写控制系统的程序，实现数据输入、处理和控制输出；4、对控制系统进行调试和测试，确保系统的稳定性和可靠性。
六、总结通过本次课程设计，我们深入了解了计算机控制技术的核心内容和实现过程，掌握了控制系统设计、程序设计和数字信号处理等关键技术。
我们也发现了课程设计中存在的一些问题和不足之处，需要我们在后续的学习和实践中不断改进和完善。
希望通过本次课程设计，能够为我们在计算机控制技术领域的学习和实践打下坚实的基础。
天津大学计算机控制系统——第8.8课 (掌握)纯滞后控制系统设计—达林算法
（2）求控制器的z传递函数
1 z N 1 (1 eT /T ) D( z) 求控制器： G( z) 1 eT /T z 1 (1 eT /T ) z N 1
达林算法标准脉冲控制器形式
8.4 纯滞后系统的设计—达林算法
4 达林算法的设计 设计思路： 针对不同被控对象，根据标准达林算法公式设计控制器。 （1）被控对象为：一阶惯性＋纯滞后环节
8.4 纯滞后系统的设计—达林算法
5. 举例——基本达林算法设计
输出 控制量
1 0.393z 3 Y z Rz z 1 z 1 1 0.607z 1 0.393z 3 0.632z 4 0.775z 5 0.865z 6 0.918z 7 0.950z 8
8.4 纯滞后系统的设计—达林算法
2 达林算法的对象特性
（1）被控对象特性 一阶惯性＋纯滞后环节： 或二阶惯性＋纯滞后环节：
Gp s K e s 1 T1s K Gp s e s 1 T1s 1 T2 s
（2）闭环z传递函数特性——设计目标
(s)
1 1 2 Q( z ) 1 ( b a 1) z ( b a a ) z 1 1 2 2 1 1 1 z
RA 振铃幅度定义：
1 ( b 1 a 1 1) a 1 b 1
8.4 纯滞后系统的设计—达林算法
(a) 单位阶跃下的振铃幅度：
1 (s) e s T s 1
离散化：
1 e Ts e NTs z N 1 1 e T T Y z z R z s T s 1 1 e T T z 1
计算机控制技术基础课程设计
ST1 EQU 52H；预置温度（高位）
ST2 EQU 53H；预置温度（低位）
T100 EQU 54H；温度BCD码显示缓冲区（百位）
T10 EQU T100+1；温度BCD码显示缓冲区（十位）
T EQU T100+2；温度BCD码显示缓冲区（个位）
计算机控制系统主要由计算机和生产过程两大部分组成。工业控制机试之按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个部分。生产过程包括被控对象和测量便送、执行机构、电气开关等装置。计算机引入控制领域是60年代。这种系统的调节器主要是采用模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大，这种系统称为计算机监控系统。在60年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中，计算机不但完成操作处理，还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它的测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制。这种控制系统是直接数字控制系统，简称DDC系统。DDC控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。
DJNZ R7，BACK；15s到否，不到返回
MOV R7，#150；重置软计数器初值
ACALL TIN；温度检测
MOV BT1，TEMP1；当前温度送到显示缓冲区
MOV BT0，TEMP0
ACALL DISP；显示当前温度
ACALL CONT；温度控制
具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计介绍
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计算机控制系统课程设计
1.2 课程设计任务对象与设计的分析论证 1.2.1 控制对象的分析与说明
由所给设计任务可知，本设计的控制对象是一个含有具有大时滞的一阶惯性环节
Ke s G( s) Ts 1
的系统， 而在通常的温度控制系统中， 控制对象往往就可以视作含有一个大纯时延时间的一 阶惯性环节的系统， 故本次计算机控制系统设计则可以以一个温度控制系统为例设计： 加热 炉温度控制系统。 目的是保持被加热液体的温度与设定值尽量一致， 当系统出现干扰时能够 较快地恢复到设定值。
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 ; 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。 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。
g=tf(num,den); margin(g); grid on;
115.1763 0.8470s 1
num = 115.1763 den = 0.8470
波特图为：
1.0000
由上图可知，系统幅值裕度为无穷(Inf)，但相角裕度为 90.5deg，不满足系统要求。
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计算机控制系统课程设计
计算机控制系统课程设计
2.1.2 算法选择
最小拍无纹波：即最少调整时间系统，在给定某种典型输入（如单位阶跃输入、单位速 度输入或单位加速度输入） 条件下， 通过设计一个控制规律使得闭环系统输出具有最快 的响应速度，且输出的采样点之间没有纹波。在满足系统的快速性、准确性、稳定性和 可实现性条件下， 设计出来的数字调节器可以实现无静差的稳定状态。 但是最少拍系统 1 对输入信号类型的适应性差；○ 2 对系统参数的变化敏感；○ 3 控制作用 存在着局限性：○ 易超出允许的控制范围。 Dalin 算法：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，如在热 工和化工的许多工业生产过程中， 其被控对象模型的不确定性、 参数随时间的漂移性和 含有较大的纯滞后， 如果要求控制系统在最少拍内达到稳态， 则不但不能达到预期的效 果，反而会引起系统产生大的超调或振荡。而事实上，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。 达林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。 对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化, 超调小或者无超 调, 稳定性好, 不振荡, 对系统的快速性要求不高。 而 Dalin 算法的设计目标是对带时延 的一阶或二阶惯性环节工业对象， 设计一个数字调节器， 使得整个闭环系统的传递函数 为具有纯时延特性的一阶惯性环节， 目的是使输出无超调或者超调很小。 结合本次课程 设计的控制对象数学模型，若其为不带延时的一阶惯性环节，则选用（ 1）方案，用最 少拍无波纹来设计控制器； 若其为带时延的一阶惯性环节， 而设计目标就是无超调或者 超调很小，故选用（ 2）方案，用 Dalin 算法来实现对系统的控制。
计算机控制技术课程设计
计算机控制技术课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制技术的基本原理，理解计算机控制系统的工作流程。
2. 使学生了解计算机控制技术在工业、医疗、家居等领域的应用。
3. 帮助学生掌握计算机控制系统的硬件和软件设计方法。
技能目标：1. 培养学生运用计算机控制技术解决实际问题的能力。
2. 提高学生进行计算机控制系统编程、调试和优化的技能。
3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力，能够就计算机控制技术问题进行讨论和分析。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术的兴趣，激发学生的创新意识。
2. 引导学生关注计算机控制技术在我国经济发展和社会进步中的作用，增强学生的社会责任感。
3. 培养学生严谨、细致的学习态度，树立正确的价值观。
课程性质分析：本课程为专业选修课，旨在让学生在掌握计算机控制技术基本原理的基础上，提高实际应用能力，培养学生的创新意识和团队合作精神。
学生特点分析：学生为高中二年级学生，具有一定的计算机基础和编程能力，对新鲜事物充满好奇，具备一定的自主学习能力。
教学要求：1. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力。
2. 案例教学，结合实际应用场景，提高学生的学习兴趣。
3. 加强课堂互动，鼓励学生提问、讨论，提高学生的参与度。
4. 注重过程性评价，及时了解学生的学习进度，调整教学策略。
二、教学内容1. 计算机控制技术基本原理：包括计算机控制系统的组成、工作原理和性能指标，涉及课本第二章内容。
- 计算机控制系统的组成与分类- 控制器、执行器和被控对象的作用及相互关系- 性能指标：稳定性、快速性、精确性等2. 计算机控制技术在各领域的应用：介绍计算机控制技术在工业、医疗、家居等领域的实际应用，结合课本第三章实例进行分析。
- 工业自动化控制- 医疗设备控制- 智能家居控制3. 硬件和软件设计方法：包括控制器硬件设计、编程环境搭建以及软件编程，涉及课本第四章和第五章内容。
- 控制器硬件设计：微控制器、接口电路等- 编程环境：C语言、汇编语言、开发工具等- 软件编程：控制算法、程序设计等4. 计算机控制系统编程、调试和优化：以实际项目为例，讲解编程、调试和优化方法，涉及课本第六章内容。
计算机控制技术课程设计方案
2018级计算机控制技术课程设计一、电炉烤箱温度控制系统设计<16组完成）被控对象为电炉烤箱，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。
功率3Kw可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统：，Kd=50，τ=10s要求：采用数字PID控制，有0阶保持器。
设计最少拍无纹波控制系统。
第1组：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；3）通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响。
4）撰写设计说明书。
第2组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析Ti改变时对系统超调量的影响。
第3组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。
第4组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。
第5组：基本要求同第1组，只有第3）点要求不同：3）通过数据分析β改变时对系统超调量的影响。
第6组：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）撰写设计说明书。
第7组-第11组的对象模型：第7组：基本要求同第1组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第8组：基本要求同第2组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第9组：基本要求同第3组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第10组：基本要求同第4组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第11组：基本要求同第5组，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。
第12组-第16第12组：基本要求同第1组，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。
第13组：基本要求同第2组，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。
对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计
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;
对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’,C),T=rang(1),
考虑θ=0 或 T/2 两种情况。
C 为学号的后 3 位数，如 C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0 或 0.4912
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对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计
一、设计题目及要求
Ke s
1、
针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节 G(s)
的温度控制系统和给
Ts 1
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；
1、计算机控制系统结构图 ..................................................................................................... 4 2、硬件结构图 ......................................................................................................................... 5 三、 电路硬件设计......................................................................................................................... 6 1、 电桥电路...........................................................................................................................6 2、放大环节.............................................................................................................................7 3、滤波电路.............................................................................................................................7 4、A/D 转换器 .........................................................................................................................8 5、D/A 转换电路 ....................................................................................................................9 四、参数计算及仿真..................................................................................................................... 10
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《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班级：姓名：学号：指导老师：日期：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()1sKe 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50~200o 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 no 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122500.062o 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3.1 温度传感器输出端与ADC的连接由以上分析可知，本设计需要12位的A/D转换器，可采用AD574A芯片进行模/数转换。
由于温度传感器的输出电压较小，电压值通常为毫安级，故必须经放大后才能输入模/数转换器ADC，运算放大器选择LM139。
为了提高温度传感器的灵敏度，可将温度传感器接入平衡电桥中，经差动放大后再输入到AD574A的10VIN输入端。
温度传感器输出端与ADC的连接如图一所示：3.2单片机8051与ADC的连接8051的P0口作为AD574A的地址线，P0口和P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作为数据线，用于接收获取AD574A的转换结果。
P0口经地址锁存器74373锁存，并经三-八译码器74138译码后的1Y信号作为AD574A的片选信号输入。
AD574A与8051的连接图如下所示：图二 AD574A与8051的连接图3.3 单片机8051与DAC的连接由上可知，本设计需要12位的A/D转换器，与之相对应，可采用12位的D/A转换器DAC1208芯片进行模/数转换。
8051的P0口作为DAC1208的地址线，P0口和P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口作为数据线，用于传送经达林算法后的运算结果。
P0口经地址锁存器74373锁Y信号作为DAC1208的片选信号输入。
存，并经三-八译码器74138译码后的08051与DAC1208的连接图如下所示：图三 8051与DAC1208的连接图3.4整机电路综合上述，可得计算机控制系统整机电路如下图所示：图四 整机电路四、 系统框图结合整机电路图，易得本计算机控制系统的框图如下图（a ）所示。
图（b ）是其等效系统模型，s T 为采样周期，D(z)为数字调节器，()h G s 为采样保持器，()G s 为广义对象。
（a）（b）图五大滞后温度控制系统结构图图中，由单片机、模/数转换器AD574A和数/模转换器DAC1208组成计算机系统。
温度传感器的输出信号（经放大电路放大后）作为计算机系统的输入信号，经模/数转换后与计算机内部的温度数字量进行比较，从而得出偏差信号，偏差信号再经过单片机8051CPU进行达林算法处理后将运算结果送往数/模转换器，将转换结果送给温度调节器，使之产生相应的动作，从而达到控制被控对象温度的目的。
五、程序流程图5.1 主程序流程图主程序图六主程序流程图5.2子程序流程图A/D 转换子程序D/A 转换子程序0T 中断子程序 (a) (b) (c) (d) 图七 子程序流程图 1INT 中断子程六、 数字调节器的求解6.1 基本参数的计算由题目要求，对象确定：K=10*log (C*C-sqrt(C)), rand (‘state ’, C), T=rand(1)，其中C 为学号后3位数，考虑θ=0和T/2两种情况。
对于本人来说，C=427，则K=10* log(178*178-sqrt(178))=121.1345rand (‘ state ’, C), T=rand (1)= 0.8923s从而可考虑θ=0和θ=T/2=0.4461两种情况。
当广义对象带有时延环节时，采样周期与时延时间之比宜取1:1或1:2，由θ=0.4461，可取采样周期s T =0.4461s 。
要运用达林算法求取数字调节器D （z ），还必须知道系统的期望闭环传递函数H （z ）。
为此，我们不妨设()1se H z s θτ-=+。
其中θ与上意义相同，为对象的滞后时间，τ为系统的期望闭环时间常数。
6.2数字调节器D （z ）的实现 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 Kz s 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： 1//1;s T Ts e e ττσσ--==。