武汉科技大学计算机控制与接口技术课程设计.docx
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武汉科技大学计算机控制与接口技术课程设计
二○一二～二○一三学年第一学期
信息科学与工程学院
课程设计报告书
课程名称：
计算机控制与接口技术课程设计
班级：
自动化2009级班
学号：
姓名：
指导教师：
二○一三年一月
一、设计题目和设计要求
1.设计题目
马弗炉温度控制系统的设计
2.设计任务和要求
设计一个马弗炉温度控制系统，对象的传递函数：
，炉子为电炉结构，单相交流220V供电。
温度设定值：
200~900℃，可以任意调节。
要求：
（1）画出电路原理图，包括：
给定值、反馈、显示的电路及主电路；
（2）阐述电路的工作原理；
（3）采用对象为大滞后的算法，求出u（k）;
（4）定出闭环数学控制的程序框图。
二、设计任务分析
（一）系统设计：
在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加热炉，以及各种不同用途的反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重要环节。
随着计算机技术的不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加成熟。
实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
该系统以MCS-51单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度的实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必要的信息等功能。
由外部操作键盘，输入给定数值，进行相应的参数设定，并可以根据需要进行手动、自动之间的切换。
本系统主要由单片机应用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测与信号放大模块、数字控制与同步触发模块等部分组成。
单片机应用系统主机板采用模块式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分都通过总线插座方便地与单片机接口。
图1单片机炉温控制系统结构图
（二）控制方案
本系统中把可控硅和电阻炉温度变送器统一称为被控对象。
电阻炉系统是个自衡系统，可以近似为一个一阶惯性环节和一个延迟环节，传递函数可以表示为：
在检测的基础上，我们采用数字数字控制器直接设计的方法，把炉内温度控制的设定值与实测值进行比较，是静态误差最小。
理论分析和实践证明电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以用一个一阶惯性环节和一个延迟环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统的简化动态结构图如图2
图2系统简化动态结构图
在热工和化工等许多工业生产过程中，由于被控对象模型的不确定性、参数随时间的漂移性以及含有纯滞后环节，因此如果要求控制系统的输出值在最少拍内达到稳态，则不但不能达到预期的效果，反而会产生较大的系统超调和振荡。
这类控制系统对快速性的要求较为次，其主要指标是系统无超调或超调很小，并且允许有较长的调整时间。
在这条件下，采用纯滞后对象的控制算法—大林算法往往比较简单。
因此该系统采用大林算法。
（三）控制方案的实现
在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间
对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。
当对象的纯滞后时间
与对象的惯性时间常数T1之比，即
/T1
0.5时，采用常规的比例积分微分（PID）控制，很难获得良好的控制性能。
长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制。
本设计以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶惯性环节。
即
本设计的被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。
式中：
为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期T的整数倍：
大林算法的主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下，整个闭环系统的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。
即
（1-1）
要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。
与H（s）相对应的闭环系统脉冲传递函数为
（1-2）
将上式代入式
中，得
（1-3）
当对象为一阶惯性环节加纯滞后时
（1-4）
将式（1-4）代入式（1-3）得一阶惯性环节的控制器的D（z）为
由上式，控制算法为
在本设计中取T为10s，
=10s，那么N为5；其中
=100，K为1；代入相关数据可以算得：
则有上式可以得到控制算法为：
（四）编程实现大林控制算法（选取
，可取N=5）。
ei=sv-fVoltage;
x1=exp（-Ts/T0）;
x2=exp（-Ts/T1）;
a0=（1-x1）/（k*（1-x2））;
a1=x2*（1-x1）/（k*（1-x2））;
b1=exp（-Ts/T0）;
b2=1-exp（-Ts/T0）;
output[0]=b1*output[1]+b2*output[N+1]+a0*ei-a1*eix;
eix=ei;
for（intj=N;j>=0;j--）
{output[j+1]=output[j];}
（五）编程实现消除振铃现象后的大林控制算法（选取
，N=5）。
x1=exp（-Ts/T0）;
x2=exp（-Ts/T1）;
a0=（1-x1）/（k*（1-x2）*（2-x1））;
a1=x2*（1-x1）/（k*（1-x2）*（2-x1））;
b1=1;
output[0]=b1*output[1]+a0*ei-a1*eix;
eix=ei;
for（intj=N;j>=0;j--）
{output[j+1]=output[j];}
三、详细设计
（一）马弗炉温度控制系统介绍
50年代，由于计算机的出现，人们开始在实验室、工厂或其它条件中使用用计算机进行数据采集和处理。
此时的计算机只起到“离线”的应用，功能较单一，且过程装置和微机之间没有任何物理上的连接。
随着计算机技术的进一步发展，提供了过程装置与计算机之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。
1962年，英国帝国工业公司安装了FerrantiArgus计算机控制系统，使用计算机自动控制系统代替模拟仪表控制，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，历经多年的发展，到70年代中期，集散控制系统的发展进入快车道，炉温控制在工矿企业中逐步兴起，控制方式也不断改进，算法不断深入，整体技术趋于成熟。
我国对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究从80年代开始。
随着计算机技术、检测设备、电器仪表的提高，90年代初开始我国钢铁企业使用计算机控制温控炉逐渐增多，自动化控制程度不断提高，由于各自使用条件和生产过程的不同，所取得的成效各不相同。
目前我国在自动化控制理论方面同外国同行业水平相差不大，但在实际应用上与日本、欧美等计算机技术发达的国家相比较还有很大的差距。
从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的升级，从国外进口先进的计算机设备，仪表部分采用国产的，整套的进口自动控制设备开始出现在一些大型企业中。
随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能化直接监测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。
但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个非线性、大惯性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。
近年来，随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来越多的应用。
量子物理浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自动控制方面也吸引了国内外研究者的目光。
（二）单片机控制系统设计—硬件系统
硬件设计的任务是根据所要达到的控制目的，给出结构框图，然后逐一设计出每一个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。
图3硬件系统总体结构图
（三）单片机控制系统设计—软件系统
本套系统采用大林算法作为控制算法。
采用C语言来实现。
图4软件设计总体流程图
图4.1大林算法流程图
（四）系统的主电路设计
图5为主机系统电路设计图。
因为这一设计控制功能一般，对控制精度的要求也不高，程序并不复杂。
所以选用8031作为CPU，选用2732（4KB）作为EPROM。
74LS273作低8位地址锁存器。
图5主机系统电路设计图
（五）温度设定电路设计
本设计采用十进制数输入，BCD码输出的BCD拨码盘。
具有简单直观，使用方便的特点，受到广大工作人员的青睐。
它有0～9十个位置，每一位位都有相应的数字标记，用于代表一位十进制数的输入。
一片拨盘代表一位十进制数，n片拨码盘并联安装，就可组成n位十进制数。
此拨码盘有4根输出线（分别为8、4、2、1。
用来输出BCD码）和一根输入线A。
当拨码盘拨到不同位置时，4根输出线中的1根或几根就会与输入控制线A相连接，由拨码盘对所输出的数据作出相应的指示。
图6温度设定电路接线图
（六）LED显示电路设计
LED数码管由发光二极管组成并封装在一个标准的外壳中，有8字形和米字行两中字形显示，各有共阳极和共阴极两种。
发光二极管导通压降为1.2V～1.8V、正向工作电流为2mA～15mA。
在显示驱动方式中，采用动态扫描。
当扫描到n1～n4公共端时，LED驱动器分别对应输出a～dp的显示段，LED就能正常显示。
在自定制LED显示驱动器芯片中，LPC系列中的P87LPC762单片机芯片具有较好的端口设置与较强的内部功能，因此可以通过编程设置其引脚功能作为LED显示器的驱动芯片。
图中8031通过74LS164与共阳极七段LED显示器的接口电路。
图中的4个电阻使单片机的输出电平与74LS164的CMOS输入电平相容，74LS164的输出端与LED数码管之间连接有限流电阻
图7LED数码管的引脚图
图8温度显示电路
（七）报警电路设计
本设计采用压电式警报器，它主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱及阻抗匹配器、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由集成电路或晶体管构成。
当接通电源后（1.5～15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出频率为1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
图5-3超限报警电路
四、课程设计总结
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。
基于MCS-51单片机的炉温控制系统设计。
我对其中单片机的应用和炉温控制系统的发展做了主要说明，对系统的人机接口电路，过程通道，以及相关软硬件做了主要的设计。
在设计中，我查阅了大量的书籍和电子资料、认真学习了相关知识，并将所学知识应用在设计中。
在做课程设计的过程中，我对单片机的功能有了更加深入的认识，了解到单片机在国民经济的发展中起到了举足轻重的作用；了解了单片机系统在工业自动化控制过程中的重要作用及其发展的广阔前景。
在社会信息化程度日益提高的今天，自动化控制已经深入到各行各业，单片机与人们的生活愈来愈紧密，有着巨大的市场潜力，需要加大力度开发。
通过本次课程设计，让我受益良多。
原来我学习计算机控制的时候，基本上不清楚学习的理论知识如何应用在实践中，所以觉得计控学习起来比较难，经过这次课程设计，让我清楚了计算机控制的一些理论在实践中的应用。
经过了这次课程设计，我发现学到了很多的东西，首先我觉得能把自己所学到的东西应用到实践中去，这是一个很大的收获。
其次，仅仅是所学到的东西根本就不能满足工程或者说一个具体的项目的要求，要完成一个具体的项目，需要额外的学习很多新的东西，因此不能满足于自己的所学，应该养成终身学习的态度。
参考文献
[1]施保华、杨三青、周凤星.计算机控制技术.华中科技大学出版社.2007年3月第1版
[2]毛谦敏.单片机原理及应用系统设计.国防工业出版社.2005年8月
[3]郑学坚，周斌．微型计算机原理及应用．第三版．北京：
清华大学出版社，2005年6月
[4]余锡存、曹国华.单片机原理及接口技术.西安电子科技大学出版社.2006年
[5]张志良、马彪.单片机原理与控制技术.机械工业出版社.2005年7月
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