12自动化计算机控制系统课程设计题目.docx

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12自动化计算机控制系统课程设计题目

《计算机控制技术》课程设计

——设计题目与设计要求

指导教师：

一、控制系统建模、分析、设计和仿真

本课程设计共列出9个同等难度的设计题目，与前九组对应。

（一）内容如下。

（第1组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.1秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第2组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.2秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第3组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.2秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第4组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.05秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第5组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.05秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹

控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第6组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.01秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹

控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第7组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.01秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹

控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第8组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.02秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹

控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（第9组）控制系统建模、分析、设计和仿真

设连续被控对象的实测传递函数为：

用零阶保持器离散化，采样周期取0.02秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹

控制器Dy（z）和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw（z）。

具体要求见

（二）。

（二）

1、求被控对象传递函数G（s）的MATLAB描述。

2、求被控对象脉冲传递函数G（z）。

3、转换G（z）为零极点增益模型并按z-1形式排列。

4、确定误差脉冲传递函数Ge（z）形式,满足单位加速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳

定的要求。

5、确定闭环脉冲传递函数Gc（z）形式，满足控制器Dy（z）可实现、最少拍和实际闭环系统稳定的要求。

6、根据4、5、列写方程组，求解Gc（z）和Ge（z）中的待定系数并最终求解Gc（z）和Ge（z）。

7、求针对单位加速度信号输入的最少拍有波纹控制器Dy（z）并说明Dy（z）的可实现性。

8、用程序仿真方法分析加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。

9、用图形仿真方法（Simulink）分析单位加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。

10、确定误差脉冲传递函数Ge（z）形式,满足单位速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳定的要求。

11、确定闭环脉冲传递函数Gc（z）形式，满足控制器Dw（z）可实现、无波纹、最少拍和实际闭环系统稳定的要求。

12、根据10、11、列写方程组，求解Gc（z）和Ge（z）中的待定系数并最终求解Gc（z）和Ge（z）。

13、求针对单位速度信号输入的最少拍无波纹控制器Dw（z）并说明Dw（z）的可实现性。

14、用程序仿真方法分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。

15、用图形仿真方法（Simulink）分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。

16、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无波纹的差别和物理意义。

二、数字滤波系统设计

1．用计算机模拟带有干扰的正弦信号R（频率100Hz）。

首先计算机产生一个随机信号，再与正弦信号叠加。

2．计算机对含有干扰的正弦信号进行数字滤波处理，保留正弦信号，去除干扰。

3．输入为模拟电压，输入模拟电压范围为0～+5V，最后滤波的结果用LED显示器显示。

第10组：

（第1人）1）分析数字滤波的常用方法，以及各自的优缺点；

2）采用一阶惯性滤波器算法，设计算法程序；

3）通过数据分析采样周期T对滤波效果的影响；

4）撰写设计说明书。

第11组：

（第2人）基本要求同第１人，只有第2）点要求不同

2）采用平均值滤波算法，设计算法程序；

第12组：

（第3人）基本要求同第2人，只有第3）点要求不同

3）通过数据分析参与平均值滤波的测量数据个数对对滤波效果的影响；

第13组：

（第4人）基本要求同第1人，只有第2）点要求不同

2）加权平均值滤波器，设计算法程序；

第14组：

（第5人）基本要求同第4人，只有第3）点要求不同

3）通过数据分析参与加权平均值滤波的采样数据个数对滤波效果的影响；

第15组：

（第6人）基本要求同第4人，只有第3）点要求不同

3）通过数据分析四次采样值加权平均值滤波器的系数对滤波效果的影响；

三、温度控制系统设计

被控对象为电炉，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。

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，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。

第16组：

（第1人）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17组：

（第2人）基本要求同第1人，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18组：

（第3人）基本要求同第1人，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19组：

（第4人）基本要求同第1人，只有第3）点要求不同：

3）通过数据分析T改变时对系统超调量的影响。

第20组：

（第5人）基本要求同第1人，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21组：

（第6人）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22组：

（第7人）基本要求同第1人，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。

第23组：

（第8人）基本要求同第2人，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。

第24组：

（第9人）基本要求同第3人，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。

第27组：

（第10人）基本要求同第4人，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。

第28组：

（第11人）基本要求同第5人，但对象特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为40秒。

第29组：

（第12人）基本要求同第1人，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。

第30组：

（第13人）基本要求同第2人，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。

第31组：

（第14人）基本要求同第3人，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。

第32组：

（第15人）基本要求同第4人，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。

第33组：

（第16人）基本要求同第5人，但对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。

四、可燃气体检测及报警装置

1．对常见可燃气体进行自动监测的报警装置

2．检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警

3．工作原理：

采用的控制方案--直接数字控制（DDC）

第34组：

（第1人）1）设计可燃气体检测及报警装置硬件系统，画出框图；

2）检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警；

3）采用的控制方案--直接数字控制（DDC）；

4）CPU采用单片机；

5）撰写设计说明书。

第35组：

（第2人）基本要求同第1人，只有第4）点要求不同：

4）CPU采用PLC。

第36组：

（第3人）基本要求同第1人，只有第4）点要求不同：

4）CPU采用PC。

五、非编码键盘的扫描程序设计

1．通过8155扩展I/O口行列式键盘；

2．利用8031微控制器。

第37组：

1）8155扩展I/O口组成4×8行列式键盘，设计非编码键盘的扫描硬件系统，画出电路图；

2）对键盘按键能够正确识别，去抖动；

3）键盘扫描；

4）撰写设计说明书。

第38组：

1）8155扩展I/O口组成6×6行列式键盘，设计非编码键盘的扫描硬件系统，画出电路图；

2）对键盘按键能够正确识别，去抖动；

3）键盘扫描；

4）撰写设计说明书。

六、逐点比较插补原理的实现

设计一个计算机控制步进电机系统，该系统利用PC机的并口输出控制信号，其信号驱动后控制X、Y两个方向的三相步进电机转动，利用逐点比较法插补绘制出各种曲线。

1）设计硬件系统，画出电路原理框图；

2）定义步进电机转动的控制字；

3）推导出用逐点比较法插补绘制出下面曲线的算法；

4）编写算法控制程序线；

5）撰写设计说明书。

每人选一个曲线，曲线均为第一象限，屏幕左下角为坐标原点，箭头表示曲线绘制的方向，直线参数为：

起点、终点坐标。

圆弧参数为：

起点、终点坐标和半径。

直线一：

（第39组）直线二：

（第40组）

直线四（第41组）

直线三（第42组）

圆弧一：

（第44组）

圆弧二（第45组）

圆弧三（第46组）

圆弧四（第47组）

第48组

题目：

直流伺服电机控制系统设计

设计内容

课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。

由测量元件（位移传感器）对被控对象（电机）的被控参数（位移）进行测量，由变换发送单元（A\D转换器）将被控参数（位移）变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号（实际位移量）与给定信号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构（伺服电机控制电源）工作，使被控参数（实际位移量）与给定值（给定位移量）保持一致。

其电机位置随动系统：

式中，K=100，T1=1.8，T2=0.035，T3=0.15

控制算法选用数字PID控制。

设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；

3.设计输入信号接口电路；

4.设计信号输出控制电路；

5.其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

2.编写A/D转换和位置检测子程序框图；

3.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；

4.其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。

课程设计说明书要求

1.课程设计说明书应书写在学院统一印制的课程设计（论文）说明书上，书写应认真，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。

2.论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。

3.课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方框图和电路原理图。

4.课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识。

第49组

题目：

空调控制系统设计

设计内容

设计一空调房间温度控制系统，该系统能准确测量房间温度，并根据设定温度进行有效控制。

空调设计变频空调制冷（热）量与压缩机转速有关，通过控制压缩机转速频率来控制所需热量。

空调模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串联。

房间模型主要考虑室内外温度干扰与散热片热量共同作用于具有初始温度房间，经空气导热延迟，简化为具有大延迟的一阶惯性环节。

设房间热惯性时间常数Ty=450,空气导热延迟τ＝35，

选择合适的控制算法进行控制。

设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；

3.设计输入信号接口电路；

4.设计信号输出控制电路；

5.设计串行通讯接口。

6.其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

7.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

8.编写A/D转换和位置检测子程序框图；

编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；

10.其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。

课程设计说明书要求

1.课程设计说明书应书写在学院统一印制的课程设计（论文）说明书上，书写应认真，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。

2.论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。

3.课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方框图和电路原理图。

4.课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识。

第50组

题目：

煤气退火炉控制系统设计

设计内容

煤气罩式退火炉主要用于对冷轧钢板进行热处理，采用高炉煤气作为燃料。

炉体分内罩和外罩，在内罩内放入退火钢卷，并投入保护性气体防止氧化。

燃烧在内罩和外罩之间进行。

12个喷嘴分为上下两层，每层6个环绕排列。

煤气和空气的喷燃比由连接两个阀门的连杆所固定，这样在燃烧时，其空燃比不变。

煤气和空气阀均为蝶阀，由一台电动执行器通过连杆共同带动。

设计系统保护气体温度为输入及控制量，以电动执行器带动的蝶阀开度（对应于煤气输入量）为输出的一个单输入单输出的温度控制系统。

设计系统要求温度在升温、保温过程中按一定的工艺曲线升温和保温，在400℃温度内，保护气体温度在供气阀门开到最大情况下，以自由升温的速率再最短的时间内升到400℃。

从400℃开始到700℃的保温点，温度按45~75℃/h的速率上升，此段为升温段。

到达700℃点，则开始进入保温段，以700℃为恒值温度进行保温。

钢卷保温一定时间后停火，进入降温段，而降温过程为自由降温，在此段中温控系统停用。

选择合适的控制算法进行控制。

设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；

3.设计输入信号接口电路；

4.设计信号输出控制电路；

5.设计串行通讯接口。

6.其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

7.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

8.编写A/D转换和位置检测子程序框图；

9.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；

10.其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。

课程设计说明书要求

1.课程设计说明书应书写在学院统一印制的课程设计（论文）说明书上，书写应认真，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。

2.论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。

3.课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方框图和电路原理图。

4.课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识。

第51组

题目：

基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计

设计内容

电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。

在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。

本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范围50-350℃，保温阶段温度控制精度为±1℃。

选择和合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。

其对象温控数学模型为：

其中：

时间常数Td＝350秒

放大系数Kd＝50

滞后时间τ=10秒

控制算法选用改进的PID控制。

设计步骤

一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

2.设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；

3.设计输入信号接口电路；

4.设计D/A转换和电流驱动接口电路；

5.其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）

四、软件设计

4.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；

5.编写A/D转换和温度检测子程序框图；

6.编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；

4.其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。

五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。

课程设计说明书要求

1.课程设计说明书应书写在学院统一印制的课程设计（论文）说明书上，书写应认真，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。

2.论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。

3.课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方框图和电路原理图。

4.课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识。