計算機控制技術(shù)課程設(shè)計--具有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計</p><p>　　具有純滯后一階慣性系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學 號：</b></

2、p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　日 期：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計任務(wù)1</b></p><p><b>　　

3、1.1 題目1</b></p><p>　　1.2內(nèi)容與要求1</p><p>　　二、 設(shè)計思想與方案2</p><p>　　2.1控制策略的選擇2</p><p>　　2.2 硬件設(shè)計思路與方案2</p><p>　　2.3 軟件設(shè)計思路與方案3</p><p>　　

4、三、 硬件電路設(shè)計3</p><p>　　3.1溫度傳感器輸出端與ADC的連接3</p><p>　　3.2 ADC與單片機8051的連接4</p><p>　　3.3 單片機8051與DAC的連接4</p><p>　　3.4 整機電路5</p><p><b>　　四、系統(tǒng)框圖7</b&

5、gt;</p><p><b>　　五、程序流程圖8</b></p><p>　　5.1 主程序流程圖8</p><p>　　5.2 子程序流程圖9</p><p>　　六、數(shù)字調(diào)節(jié)器的求解11</p><p>　　6.1 基本參數(shù)的計算11</p><p>　　

6、七、系統(tǒng)的仿真與分析13</p><p>　　7.1 θ=0時系統(tǒng)的仿真與分析13</p><p>　　7.2 θ=0時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析14</p><p>　　7.2 θ=0.4461時系統(tǒng)的仿真與分析16</p><p>　　7.3 θ=0.4461時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析17</p><p&g

7、t;　　八、設(shè)計總結(jié)與心得體會20</p><p><b>　　參考資料21</b></p><p><b>　　一、 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　一、題目設(shè)計</b></p><p>　　1. 針對一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)</p>&l

8、t;p>　　的溫度控制系統(tǒng)和給定的系統(tǒng)性能指標：</p><p>　　工程要求相角裕度為30°～60°，幅值裕度>6dB</p><p>　　要求測量范圍-50℃～200℃，測量精度0.5％，分辨率0.2℃</p><p>　　2. 書面設(shè)計一個計算機控制系統(tǒng)的硬件布線連接圖，并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>

9、;<b>　　具體要求：</b></p><p>　　溫度傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的選型</p><p>　　微型計算機的選型（MCS51、AVR等等）</p><p>　　溫度傳感器和單片機的接口電路</p><p>　　其它擴展接口電路（主要是輸入輸出通道）</p><p>　　利用Protel繪制原

10、理圖，制作PCB電路板（給出PCB圖）</p><p><b>　　3. 軟件部分：</b></p><p>　　選擇一種控制算法（最少拍無波紋或Dalin算法）設(shè)計出控制器（被控對象由第4步中的參數(shù)確定），給出控制量的迭代算法，并借助軟件工程知識編寫程序流程圖</p><p>　　寫出主要的單片機程序</p><p>

11、　　4. 用MATLAB和SIMULINK進行仿真分析和驗證</p><p>　　對象確定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’,C), T=rand(1)</p><p>　　考慮θ=0或T/2兩種情況，即有延時和延時半個采樣周期的情況。</p><p>　　C為學號的后3位數(shù)，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0

12、或0.4912</p><p><b>　　具體要求：</b></p><p>　　分析控制器能否使系統(tǒng)滿足給定性能指標（相角裕度為30°～60°，幅值裕度>6dB）</p><p>　　畫出相應的曲線圖并標注關(guān)鍵參數(shù)</p><p>　　畫出階躍響應曲線和脈沖響應曲線</p>&

13、lt;p>　　5.進行可靠性和抗干擾性的分析</p><p><b>　　二、內(nèi)容與要求：</b></p><p><b>　　1.知識準備。</b></p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　掌握系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本要求和特點；</p&g

14、t;<p>　　系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟和要點；</p><p><b>　　控制對象及其分析；</b></p><p>　　方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)圖處理；</p><p>　　控制任務(wù)的分解和模塊設(shè)計；</p><p>　　精度設(shè)計（變送器的選擇，字長的確定，說明書），可靠性、抗干擾設(shè)計</p><

15、p>　　2.自己查找資料和進行書面設(shè)計，期間進行普遍性和特殊性輔導</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　傳感器資料；信號歸一化資料和低通濾波器資料；現(xiàn)代功率電子技術(shù)（變流技術(shù)）資料；某一控制機的內(nèi)存空間和端口空間分配資料計算機控制系統(tǒng)應用例資料。</p><p>　　實驗內(nèi)容和要求：學習查找書面設(shè)計相關(guān)的資

16、料并進行仿真。</p><p>　　作業(yè)要求：按格式和設(shè)計內(nèi)容要求書寫《計算機控制技術(shù)課程設(shè)計》和課程設(shè)計心得,</p><p>　　二、 設(shè)計思想與方案</p><p>　　2.1 控制策略的選擇</p><p>　　對于一個計算機控制系統(tǒng)而言，其設(shè)計方法有兩種：一種是模擬化設(shè)計方法，另一種是數(shù)字化設(shè)計方法。</p>&l

17、t;p>　　模擬化設(shè)計方法沿用連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，按系統(tǒng)性能指標求得控制系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)或模擬調(diào)節(jié)器，然后選擇適當?shù)牟蓸宇l率對其進行離散化而得出由計算機實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律。在模擬化設(shè)計方法中，PID算法是一種非常重要和常用的設(shè)計方法，其算法簡單易行，常常能滿足一般問題的求解，但對于大滯后系統(tǒng)而言，卻無能為力。史密斯預估補償算法通過預估補償器的補償控制，在一定程度上可解決控制滯后所帶來的問題，但其對干擾抵制的效果并不理想，且對過程

18、模型的誤差十分敏感，其物理模型的精度較難保證。</p><p>　　直接數(shù)字設(shè)計法是在已知控制過程或廣義對象離散模型的條件下，根據(jù)給定系統(tǒng)期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)或某一優(yōu)化目標函數(shù)出發(fā)，直接利用Z變換理論綜合設(shè)計滿足性能指標的數(shù)字調(diào)節(jié)器。在解決大滯后的問題上，直接數(shù)字設(shè)計法最常用的一種方法是達林算法。達林算法不但可以解決大滯后問題，而且可大小減小系統(tǒng)過程中的超調(diào)量，還可消除振鈴現(xiàn)象。</p><p

19、>　　綜上所述，可以采用達林算法對此大滯后控制系統(tǒng)進行控制。</p><p>　　2.2 硬件設(shè)計思路與方案</p><p>　　實現(xiàn)達林算法的控制，就是采取計算機控制系統(tǒng)對溫度控制系統(tǒng)進行控制。在此，計算機可采用單片機8051。</p><p>　　要對溫度進行控制，首先要采用溫度傳感器對溫度進行檢測。由于傳感器的輸出信號較為微弱，故必須經(jīng)放大后才能輸入A/

20、D轉(zhuǎn)換單元。通過A/D轉(zhuǎn)換，將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸入8051單片機，在單片機內(nèi)部進行比較處理和達林算法運算后把結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換單元。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過驅(qū)動使溫度調(diào)節(jié)器進行相應的動作，從而達到及時控制溫度的目的。</p><p>　　在A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與8051的連接時，要解決的問題是芯片的物理地址。這就須要采用地址鎖存器74373及譯碼器74138。通過譯碼進行片選，可知各芯片的物理地址

21、。</p><p>　　另外，A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器還涉及一個位數(shù)與轉(zhuǎn)換精度的問題。根據(jù)題目要求，溫度測量范圍為，分辨率為，則測量是量程為，再由，可得?？扇。床捎?2位的ADC和12位的DAC。</p><p>　　當采用12位ADC進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時,其分辨率為≤,滿足設(shè)計要求。</p><p>　　2.3 軟件設(shè)計思路與方案</p><p

22、>　　軟件設(shè)計是計算機控制系統(tǒng)中最為重要的一部分，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。如果軟件設(shè)計得不好，則會導致系統(tǒng)達不到所要求的性能指標，甚至使整個系統(tǒng)因不能正常運行而造成生產(chǎn)事故。</p><p>　　思路如下：首先，單片機要對整個系統(tǒng)進行采樣，這里就涉及采樣時間的問題，而采樣時間可由8051內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。當A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢后，可通過標志位對8051的外部中斷或提出中斷請求，在中斷子程序里8

23、051CPU運用達林算法對經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理。處理完畢后，選通D/A轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量再對溫度調(diào)節(jié)器進行控制。</p><p>　　三、 硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 溫度傳感器輸出端與ADC的連接</p><p>　　由以上分析可知，本設(shè)計需要12位的A/D轉(zhuǎn)換器，可采用AD574A芯片進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于溫度傳感器的輸出電壓較小

24、，電壓值通常為毫安級，故必須經(jīng)放大后才能輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，運算放大器選擇LM139。</p><p>　　為了提高溫度傳感器的靈敏度，可將溫度傳感器接入平衡電橋中，經(jīng)差動放大后再輸入到AD574A的10VIN輸入端。</p><p>　　溫度傳感器輸出端與ADC的連接如圖一所示：</p><p>　　圖一 溫度傳感器輸出端與AD574A的連接</p&g

25、t;<p>　　3.2單片機8051與ADC的連接</p><p>　　8051的P0口作為AD574A的地址線，P0口和P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口作為數(shù)據(jù)線，用于接收獲取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為AD574A的片選信號輸入。</p><p>　　AD574A與8051的連接圖如下所示：&

26、lt;/p><p>　　圖二 AD574A與8051的連接圖</p><p>　　3.3 單片機8051與DAC的連接</p><p>　　由上可知，本設(shè)計需要12位的A/D轉(zhuǎn)換器，與之相對應，可采用12位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208芯片進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　8051的P0口作為DAC1208的地址線，P0口和P2.4、P2.5

27、、P2.6、P2.7口作為數(shù)據(jù)線，用于傳送經(jīng)達林算法后的運算結(jié)果。P0口經(jīng)地址鎖存器74373鎖存，并經(jīng)三-八譯碼器74138譯碼后的信號作為DAC1208的片選信號輸入。</p><p>　　8051與DAC1208的連接圖如下所示：</p><p>　　圖三 8051與DAC1208的連接圖</p><p><b>　　3.4整機電路</b&g

28、t;</p><p>　　綜合上述，可得計算機控制系統(tǒng)整機電路如下圖所示：</p><p><b>　　圖四 整機電路</b></p><p><b>　　四、 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　結(jié)合整機電路圖，易得本計算機控制系統(tǒng)的框圖如下圖（a）所示。圖（b）是其等效系統(tǒng)模型，為采樣周期

29、，D(z)為數(shù)字調(diào)節(jié)器，為采樣保持器，為廣義對象。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　?。╞）</b></p><p>　　圖五 大滯后溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖中，由單片機、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC1208組成計算機系統(tǒng)。溫

30、度傳感器的輸出信號（經(jīng)放大電路放大后）作為計算機系統(tǒng)的輸入信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后與計算機內(nèi)部的溫度數(shù)字量進行比較，從而得出偏差信號，偏差信號再經(jīng)過單片機8051CPU進行達林算法處理后將運算結(jié)果送往數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給溫度調(diào)節(jié)器，使之產(chǎn)生相應的動作，從而達到控制被控對象溫度的目的。</p><p><b>　　五、 程序流程圖</b></p><p>　　5.

31、1 主程序流程圖</p><p><b>　　5.2子程序流程圖</b></p><p>　　六、 數(shù)字調(diào)節(jié)器的求解</p><p>　　6.1 基本參數(shù)的計算 </p><p>　　由題目要求，對象確定：K=10*log (C*C-sqrt(C)), rand (‘state’, C), T=rand(1)，其中C為

32、學號后3位數(shù)，考慮θ=0和T/2兩種情況。</p><p>　　對于本人來說，C=427，則</p><p>　　K=10* log(178*178-sqrt(178))=121.1345</p><p>　　rand (‘ state’, C), T=rand (1)= 0.8923s</p><p>　　從而可考慮θ=0和θ=T/2=0

33、.4461兩種情況。</p><p>　　當廣義對象帶有時延環(huán)節(jié)時，采樣周期與時延時間之比宜取或，由θ=0.4461，可取采樣周期=0.4461s。</p><p>　　要運用達林算法求取數(shù)字調(diào)節(jié)器D（z），還必須知道系統(tǒng)的期望閉環(huán)傳遞函數(shù)H（z）。為此，我們不妨設(shè)。其中θ與上意義相同，為對象的滯后時間，為系統(tǒng)的期望閉環(huán)時間常數(shù)。</p><p>　　6.2數(shù)字調(diào)節(jié)

34、器D（z）的實現(xiàn)</p><p>　　被控對象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)： ，</p><p>　　假設(shè)其期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：，其中，為采樣周期，L為整數(shù)。由此可得到：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><

35、b>　　其中： 。</b></p><p>　　?。?K＝121.1345；1=0.8923； =0.6*0.9096= 0.5354</p><p>　　Θ=0.4461,L=1; Ts=0.4461s</p><p>　　通過計算可以得到： 0.4346, 0.6065</p><p>　　= = =

36、 </p><p>　　= = </p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　由表達式可以求出其差分方程為：</p><p><b>　??；</b></p><p

37、><b>　　其中：；；。</b></p><p>　　由此求得本系統(tǒng)其差分方程為：</p><p>　　u(k)= 0.0119e（k）－0.0072e（k－1）＋0.4346u（k－1）+0.5654u（k－2）</p><p>　　七、 系統(tǒng)的仿真與分析</p><p>　　7.1 θ=0時系統(tǒng)的仿真與分

38、析</p><p>　　當θ=0時，系統(tǒng)的仿真框圖如下所示：</p><p>　　圖八 θ=0時的系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　在階躍輸入下，其仿真波形如下所示：</p><p>　　(a) 系統(tǒng)階躍輸出響應 (b) 數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波形</p><p>　　圖九 階躍輸入下θ=

39、0時的仿真波形</p><p>　　由上波形圖可知，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有較好的性能。為進一步確定系統(tǒng)是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，還需看系統(tǒng)響應的伯德圖。</p><p>　　根據(jù)θ=0時=的表達式，可得系統(tǒng)的伯德圖如下所示：</p><p>　　圖十 θ=0時系統(tǒng)的伯德圖</p><p>　　由上伯德圖可知，系統(tǒng)的相角裕度為，(-11

40、0°)-(-180°)=70°幅值裕度為10.3dB，滿足相角裕度為30~60°，幅值裕度的設(shè)計要求。</p><p>　　7.2 θ=0時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析</p><p>　　當θ=0時，為驗證系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性能，可在對象傳遞函數(shù)前加入一個單位階躍擾動，所得系統(tǒng)仿真框圖如下所示：</p><p>　　圖十一

41、 θ=0時單位階躍干擾下的系統(tǒng)仿真框圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下所示：</b></p><p><b>　　(b) 控制信號</b></p><p><b>　　(d) 輸出信號</b></p><p>　　圖十二 θ=0時單位階躍干擾下的仿真結(jié)果<

42、/p><p>　　由上的仿真結(jié)果可知，對于階躍干擾信號來說，系統(tǒng)有較好的抗干擾性能，在外部干擾作用后較短的時間內(nèi)，系統(tǒng)能夠恢復到初始狀態(tài)（正常運行狀態(tài)）。</p><p>　　綜合上述分析可知，當θ=0時，不管是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是抗干擾性來進行分析，系統(tǒng)都具有較好的性能。也就是說，由達林算法設(shè)計出的本系統(tǒng)具體較好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。系統(tǒng)的性能較好，可靠性較高。</p><

43、p>　　7.3 θ=0.4461時系統(tǒng)的仿真與分析</p><p>　　當θ=0.4461時，系統(tǒng)的仿真框圖如下所示：</p><p>　　圖十三 θ=0.4461時的系統(tǒng)框圖</p><p>　　在階躍輸入下，其仿真結(jié)果如下所示：</p><p>　　(a) 系統(tǒng)階躍輸出響應 (b) 數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出波

44、形</p><p>　　圖十四 階躍輸入下θ=0.4461時的仿真結(jié)果</p><p>　　由上波形圖可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有較好的動態(tài)性能。為進一步確定系統(tǒng)是否符合相角裕度和幅值裕度的要求，還需看系統(tǒng)響應的伯德圖。</p><p>　　根據(jù)θ=0.4461時系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可得系統(tǒng)的伯德圖下圖所示：</p><p>　　圖十五 θ=0

45、.4461時系統(tǒng)的伯德圖</p><p>　　由上伯德圖可知，系統(tǒng)的相角裕度為 (-110°)-(-180°)=70°，幅值裕度為8dB，滿足相角裕度為30~60°，幅值裕度的設(shè)計要求。</p><p>　　θ=0.4461時系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性分析</p><p>　　當θ=0.4461時，為驗證系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性能，

46、可使圖十三中在對象傳遞函數(shù)前加入一個單位階躍擾動，所得系統(tǒng)仿真框圖如圖十六所示。</p><p>　　圖十六 θ=0.4461時單位階躍干擾下的系統(tǒng)仿真框圖</p><p><b>　　仿真結(jié)果如下所示：</b></p><p><b>　　(b) 控制信號</b></p><p><b&g

47、t;　　(d) 輸出信號</b></p><p>　　圖十七 θ=0.4461時單位階躍干擾下的仿真結(jié)果</p><p>　　由上的仿真結(jié)果可知，對于階躍干擾信號來說，系統(tǒng)有較好的抗干擾性能。</p><p>　　綜合上述分析可知，當θ=0.4461時，不管是從系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是抗干擾性來進行分析，系統(tǒng)都具有較好的性能。也就是說，由達林算法設(shè)計出的本系

48、統(tǒng)具體較好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。系統(tǒng)的性能較好，可靠性較高。</p><p>　　八、 設(shè)計總結(jié)與心得體會</p><p>　　課程設(shè)計，就是對同學們所學的知識所進行檢驗，因此，有很重要的一點就是要求我們盡量掌握好所學到的知識。在課程設(shè)計的過程中，我們要懂得發(fā)現(xiàn)問題，從并且找到解決方法，只有這樣，我們才能明白自己的不懂之處，并進行改善，完善自己所學的知識。</p><

49、p>　　而對于一個設(shè)計來說，設(shè)計時的方案很重要，如果沒有一個好的方案，則容易出現(xiàn)無法進行下去的狀況。反之，如果設(shè)計方案較好的話，則可以提高其設(shè)計效率，使設(shè)計的系統(tǒng)得到較較好良的性能。而且在設(shè)計的時候我們得不斷查找相關(guān)的資料，這樣可以使得我們對過去所學的知識加以溫習，加深鞏固了對知識的記憶，或者了解到新的知識。</p><p>　　還有就是由于之前比較少使用MATLAB這個軟件工具，就是的對其的操作比較陌生，

50、通過這次課程的設(shè)計，我們因為要使用此工具，所以同學們一般都得自己去熟悉了解其使用方法，這樣的話，大家就在設(shè)計過程中掌握了一些基本的操作技能。而實際上，MATLAB作為一個軟件工具，是廣泛的應用于各個工作領(lǐng)域的，能夠為問題的解決提供方便快捷的方式，掌握這樣的一個工具其實對我們是非常有益的。</p><p>　　最后的總結(jié)就是課程設(shè)計所要求的是我們要懂得自己去不斷學習新的知識以及溫習舊的知識，并能夠為自己所用。<

51、;/p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1、《計算機控制技術(shù)》，溫鋼云 黃道平編著，華南理工大學出版社</p><p>　　2、《自動控制原理》，陳來好 彭康擁等編著，華南理工大學出版社</p><p>　　3、《計算機控制技術(shù)實驗指導書》，耿彤 梁佑彬編著，華南理工大學教材供應中心</p&g