计算机控制课程设计报告.docx

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计算机控制课程设计报告

基于simulink仿真的计算机水温控制系统

指导老师：

xx老师

年级专业12自动化x班

姓名学号vivianxxxxxxxx

Deerxxxxxxxxxx

2015年12月17日

题目及要求

设计题目：

基于simulink仿真的计算机温度控制系统

设计内容：

假设被控温度对象为1/（2s+1），选择Pt100热电阻测温，A/D转换器为8位，设定温度200C，设计最少拍无纹波控制器

设计要求：

1、分别在8位和16位cpu下选择不同的采样周期1s,20s,60s观察其性能；

2、自行选择热电阻电桥参数；

目录

1仿真系统描述4

2仿真系统各模块设计4

2.1热电阻桥式电路模块4

2.1.1Pt100热电阻的测温特性4

2.1.2Pt100热电阻电桥测温电路模块4

2.1.3Pt100热电阻电桥测温电路仿真模块的设计5

2.2标度转换模块的设计6

2.3最少拍无纹波控制器模块7

2.4仿真系统总图8

3仿真波形及波形分析8

3.1仿真波形8

3.2波形分析9

4实验与调试9

5总结与心得10

参考文献11

1仿真系统描述

温度是工业生产中最常用和最基本的工艺参数之一。

本系统在被控对象传递函数已知的条件下，设计最少无纹波控制器，其中被控对象为1/（2s+1），使用Pt100作为温度传感器。

仿真系统总原理图如图1所示。

图1仿真系统总原理框图

2仿真系统各模块设计

2.1热电阻桥式电路模块

2.1.1Pt100热电阻的测温特性

由于铂的物理和化学性能稳定，抗氧化能力高，电阻率高，且材料易于提纯，复制性和工艺性好，因此作为测温电阻十分理想。

铂热电阻的电阻值与温度之间的关系接近于线性。

被测温度在为-200℃～0℃范围内时，

被测温度在为0℃～650℃范围内时，

式中，

；

；

；

（0℃时的电阻值）。

2.1.2Pt100热电阻电桥测温电路模块

Pt100热电阻采用三线制接法是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。

这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。

Pt100热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。

采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

热电阻电桥测温电路如图2所示。

电路中R=100Ω，E=5V，

图2Pt100热电阻电桥测温电路

2.1.3Pt100热电阻电桥测温电路仿真模块的设计

由于被测温度在为0℃～650℃范围内时，

，

由于设定温度20℃，在0℃～30℃，Pt100热电阻的测温特性视为线性，

输出温度值转化为铂热电阻值仿真模块如下：

图3输出温度值转化为铂热电阻值仿真模块

电阻值转化为电压值仿真模块如下：

图4Pt100电阻值转化为电压值仿真模块

2.2标度转换模块的设计

在将铂热电阻电桥测温模块的输出端后接一个8位的A/D转换器，将输出电压

转换为温度，可由以下两个公式推出,式中R=100Ω,A=3.90802,E=5V;

电压值转化为电阻值：

电压值转化为电阻值仿真模块如下：

图5电压值转化为电阻值仿真模块

电阻值转化为温度值：

图6电压值转化为电阻值仿真模块

2.3最少拍无纹波控制器模块

最少拍无纹波控制器只能输入离散值，所以应在输入端前接采样开关对误差进行采样，但由于是仿真系统，该采样开关可以用零阶保持器代替。

根据题目意思，采样周期分别为1s、20s和60s。

最少拍无纹波控制器的设计如下：

因为输入为阶跃信号，所以

采样周期为T；

当T=1s时，

当T=20s时，

当T=60s时，

2.4仿真系统总图

仿真系统总图如图7所示。

图7仿真系统总图

3仿真波形及波形分析

本仿真系统的设定温度为20℃。

3.1仿真波形

8位CPU时，采样周期为1s、20s、60s的的仿真波形如图8所示；

16位CPU时，采样周期为1s、20s、60s的的仿真波形如图9所示；

图88位CPU时，采样周期为1s、20s、60s的仿真波形

图916位CPU时，采样周期为1s、20s、60s的仿真波形

3.2波形分析

将上面8幅仿真波形图进行对比。

可知，本仿真系统的控制波形不会因CPU的位数不同而有差异，但放大波形可以发现16位CPU采样后波形更加平滑。

但将不同采样周期的仿真波形进行比较后，发现采样周期为1s的波形图，上升速度很快，经过1个周期就达到了设定温度。

而采样周期为20s和60s的波形图基本重叠，可知，采样周期越短，系统的控制效果越好。

而采样周期到达一定长度时，控制效果的差异不明显。

4实验与调试

在整个仿真系统的设计中，本小组遇到的最大难题就是在热电阻桥式测温电路设计这一部分。

遇到的问题有：

在反馈回路A/D模块后，如何将电压值转化为温度值。

分段线性化是一种可行的方案，但可能导致结果不够准确，因而我们使用经过公式反推，将电压值转化为对应的电阻值，进而转化为对应的温度值。

这一部分的运算可以让计算机进行运算。

5总结与心得

通过本设计，较系统地掌握了最少拍无纹波控制器的设计方法，热电阻作为测温传感器的模型构建，以及simulink在控制系统仿真中的应用。

计算机控制原理这一门课在上课时是比较抽象难懂的，对于零阶保持器，最少拍无纹波控制器以及A/D转换器难以直观了解，通过此次在simulink进行系统设计我们更加加深理解。

同时在设计中，我们也感觉到了只有夯实的理论基础才能更好地指导实践的应用。

一开始有很多知识点都只有个大致了解，通过此次设计，和同伴一起查找资料，在一次次地讨论中完善设计最终实现功能要求。

参考文献

高金源，夏洁.计算机控制系统[M].北京：

清华大学出版社，2007.

薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计[M],北京：

机械工业出版社，2009.