完整word版计算机控制技术课程设计.docx
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完整word版计算机控制技术课程设计
计算机控制课程设计
学院自动化科学与工程
学生姓名
学生学号
班级
提交日期2013年9月5日
指导老师
1）课程设计任务题目及要求…………………………………………………
2）课程设计任务对象与论证…………………………………………………
3）控制器的计算、选择以及系统仿真………………………………………
4）硬件电路的设计…………………………………………………………
5）系统框图…………………………………………………………………
6）程序流程图………………………………………………………………
7）参考文献……………………………………………………………
八）心得体会………………………………………………………………
一、课程设计任务题目及要求
总体：
设计一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节的计算机控制系统，字数不少于3000字。
具体内容：
1）自己给出系统的闭环传递函数的表达式
2）自己设定系统性能指标
3）书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图
4）硬件布线连接图转化为系统结构图
5）选择一种控制算法
6）软件工程知识编写程序流程图
7）在MATLAB下进行编程和仿真，给出单位阶跃函数的输出结果表
8）进行系统的可靠性和抗干扰性的分析
要求：
1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节
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；
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;
二、课程设计任务对象与设计的分析论证
1.控制对象的分析与说明
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
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。
让纯时延为T/2，被控对象传递函数为：
需要对这一传递函数进行分析，添加适当的控制器，以满足设计要求，取得预期效果。
2.系统设计的一般步骤和要点
控制对象的功能和工作过程的分析
调试硬件
投入运行
系统总体方案设计
系统控制工艺流程图
画应用程序流程图
开关量、模拟量I/O通道设计
编制源程序、调试和仿真
元器件芯片选择和测试
写EPPROM
布线和安装
系统试运行
硬件有错？
达到预期目的？
完成控制目的？
建模：
描述控制量和输出量之间的数学关系；
确定控制任务：
动态和静态指标；
选择算法；
系统结构包括系统总线的选择；
内存空间分配：
系统软件、应用程序、待扩充；
I/O分配：
模拟/开关量I/O、待扩充；
模拟量I/O通道的配置；
中断、查询处理方式的确定；
即组构计控系统原理描述图，包括信号流程图（接合控制对象的工艺流程）；
给定量方式
线路方案采样信号
口地址分配内存参数区
滤波环节控制量输出
信号标准化算法步骤
技术指标
负载考虑
如MOS、TTL器件逻辑电
平、I/O电流、输入/输出
能力，以及缓冲器的选择N
Y
机箱设计、布线走向
电路板设计
端接板配置
Y
N
NY
三、控制器的计算，选择，和系统的仿真
1、当传递函数为
时，
用MATLAB绘出其波特图：
程序为：
num=[120];
den=[0.01241];
g=tf（num,den,'iodelay',0.0062）;
margin（g）;
gridon;
波特图为：
由上图可知，幅值裕度为-0.276dB<6dB,相角裕度为-107deg，不满足题目要求。
故需对对象进行合理控制使其工作符合要求,需要进行设计。
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。
但是最少拍系统存在着局限性：
对输入信号类型的适应性差；
对系统参数的变化敏感；
控制作用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。
3.控制器设计
当传递函数为
时，
由于控制对象的纯时延特性常导致控制系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。
有资料指出，当对象的纯延迟时间与对象惯性时间常数
之比大于等于0.5时，采用常规PID算法难以获得良好的系统性能，因此考虑采用达林算法。
带纯时延特性的一阶惯性环节如下：
其中，
＝0.0062，
＝0.0124，K=120。
由达林算法，取得系统期望闭环传递函数为：
式中，
＝0.0124，大于
，则RA≤0，无振铃现象。
由于
＝L×T，取L＝2，可得T＝
/2＝0.0031s
＝
＝0.7788，
＝
＝0.7788
由以上数据可得系统期望闭环脉冲传递函数为：
H（z）＝
＝
＝
被控对象的广义脉冲传递函数为：
G（z）＝
＝K
＝
数字控制器的控制规律为：
D（z）＝
＝
＝
系统开环脉冲传递函数为：
＝D（z）G（z）＝
加上比例的控制器：
D（z）=
G（k）=
由以上结果，通过MATLAB仿真结果如下：
输入程序：
Ts=0.0031
dnum=[0,0,0,0.2212]
dden=[1,-0.7788,0,-0.2212]
Zk=tf（dnum,dden,Ts）
margin（Zk）
输出结果：
Ts=
0.0031
dnum=
0000.2212
dden=
1.0000-0.77880-0.2212
Transferfunction:
0.2212
-------------------------
z^3-0.7788z^2-0.2212
Samplingtime:
0.0031
由上图可知，在未加入适当的比例增益，系统的幅值裕度为12.2dB，相角裕度为71deg，可见该系统并不符合设计要求，故需要加入适当的比例增益，降低系统的相角裕度。
加入一个适当的比例增益
＝2之后，MATLAB仿真程序以及结果如下：
输入程序：
Ts=0.0031
dnum=[0,0,0,0.4424]
dden=[1,-0.8032,0,-0.1968]
Zk=tf（dnum,dden,Ts）
margin（Zk）
输出结果：
Ts=
0.0031
dnum=
0000.3982
dden=
1.0000-0.80320-0.1968
Transferfunction:
0.3982
-------------------------
z^3-0.8032z^2-0.1968
Samplingtime:
0.0031
由上图可知，系统的幅值裕度为6.9dB，相角裕度为54deg。
可见，加入了一个2的比例增益之后，系统的性能能够符合设计要求。
采用MATLAB的SIMULINK软件进行仿真，系统框图如下：
通过SIMULINK仿真的结果如下：
由上图可知，在t＝1s时对系统施加一个单位阶跃给定输入信号，在规定的采样周期时间之后一定的微小延迟系统达到了稳定。
系统无超调，调节过程也较快，调节性能保持较佳状态。
系统在一个采样周期之后一定的误差范围内稳定，并准确跟随输入信号，调节性能良好，整个系统性能足以满足设计要求。
4、硬件电路设计
1.硬件设计思路与方案
实现达林算法的控制，无疑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，有一个问题是芯片的物理地址。
这就需要采用地址锁存器74373及译码器74138。
通过译码进行片选，便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
，分辨率为
，则测量是量程为
，再由
，可得
。
可取
，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
，远远满足设计要求。
2.温度传感器输出端与ADC的连接
由上分析可知，本设计需要采用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：
图一温度传感器输出端与AD574A的连接
3.ADC与单片机8051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
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
4.单片机8051与DAC的连接
由上分析，本设计需要采用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锁存，并经三-八译码器74138译码后的
信号作为DAC1208的片选信号输入。
8051与DAC1208的连接图如下所示：
图三8051与DAC1208的连接图
5.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：
（a）传感器信号放大输出Vin
5、系统框图
结合整体电路图，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，
为采样周期，D（z）为数字调节器，
为采样保持器，
为广义对象。
（a）
D（z）
G（s）
y
温度数字量
给定
+
-
计算机
（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。
六、程序流程图
6.1主程序流程图
6.2子程序流程图
读A/D转换结果
置采样标志位
中断返回
采样周期已到？
重置采样值
定时值
启动AD574A
中断返回
是
否
启动AD574A
读模拟输入量
A/D转换
转换结果送8051
A/D转换子程序
返回
达林算法结果送P1口
启动DAC1208
D/A转换
转换结果送温度调节器
D/A转换子程序
返回
中断子程序
中断子程序
（a）
（b）
（c）
（d）
图七子程序流程图
7、参考文献
豆丁网、XX文库相关资料
《计算机控制技术》华南理工大学出版社黄道平温钢云
《计算机系列课程实验指导》华南理工大学曾琪琳梁佑彬
《自动控制原理》华南理工大学出版社高国燊余文烋彭康拥
《单片机原理及应用实验指导书》，史步海等编著，华南理工大学教材供应中心
《单片机原理及其接口技术》，胡汉才编著，清华大学出版社
《MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD》，黄道平编著，化学工业出版社
八、心得体会
我觉得课程设计是一个很好地检测我们的学完一门课程的实践活动，每完成一次课程设计，我都对相应的课程有更加深刻的理解，并且自己的动手能力、实践能力都得到一定的提升。
这次的计算机控制技术课程设计也一样，经过这次的实践，我体会良多！
这次的计控课程设计时间不多，老师的面对面指导也不多，因为时间较紧，所以这次的课程设计比以前的课程设计更加具有挑战性。
因为很多东西都需要我们独立完成，所以，在这一过程中，就有更多的“遇到问题，解决问题。
”的过程，更加考验我们的独立学习能力。
很多东西都需要我们自己上网查找资料，并且查阅各种参考文献。
在这一过程中，我体会到，原来查找资料都是一门高深的学问，需要快速、准确地在资料堆里面找到你想查阅的东西不是一件简单的事情。
经过这次的课程设计，我感觉自己查找资料方面的能力也有了很大的提升。
这次的设计中，必须使用matlab，我们接触matlab很少，除了在学自动控制原理的时候老师又演示过之外，基本没怎么使用过。
所以，在做这一课程设计之前，必须对这一软件有个基本的认识，学会基本的操作。
通过这次的课程设计，我对MATLAB的使用都熟悉很多。
硬件实现方案选择方面，查阅一些传感器资料、信号转换、低通滤波等方面的资料，其实就是以前学过电路、自动监测、数电、模电等知识实际应用。
将设计的总框图构想出来。
所用到的芯片89S52，A/D转换，D/A转换这几个元件也曾在微机原理和计算机控制这两门课上学过，没太大问题。
根据实际应用的需要，选择出合适的应用原件，当然如果是生产应用，这需要作深入的构思，包括选件、简便与否、经济、效果等多方面的因素。
在对控制器的设计方面，就涉及到很多计算机控制的理论知识。
在这个过程之中，我对计算机控制技术中的各种算法和应用、相应的模型都有了具体的直观的认识。
再配合到前面所学习的理论知识，从初步的原理、知识、过程，到逐渐根据要求尝试设计出一个简单回路的计算机控制系统，再到设计出我们整个任务所需要的系统来，比起应付考试来说，对计控这门课有了更深一步的学习，理论结合实际，真真正正地了解到什么叫计算机控制。
经过这次计控课设，我不仅仅对计控这门课有了更加深刻的理解，还学会了matlab的基本使用，查找资料的方法，硬件的设计等等。
我觉得学院这种学完理论课之后，再让学生进行这类型的实践活动是一种非常好的教学模式。
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