计算机控制与接口技术

二○一三～二○一四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1001班

学号： 8

姓名：章琴

指导教师：周凤星

二○一三年十二月

一、设计题目和设计要求

1. 设计题目：水温控制系统的设计

2. 设计要求

设计一个水温控控制系统.对象的传递函数：G （s ）=

e 1

s 10020

-50s ,炉子

为电炉结构.单相交流2220V 供电。温度设定值：室温～100℃.可以根据要求任意调节。要求：

（1） 画出电路原理图.包括：给定值、反馈、显示的电路以及主电路； （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） 画出闭环数字控制的程序框图。

二、设计任务分析

1．系统设计：

该系统由单片机系统、PID 控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示、加热丝功率控制等组成。

Ⅰ.典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a ）所示的几部分组成.其中调节器由微型机来完成。

图（a ） 温度控制系统组成框图

Ⅱ.给定信号如何给计算机

温度给定值可以通过计算机键盘输入.键盘与单片机连接.也可以通过数学表达式由程序自动设定.还可以用拨码盘.一般拨码盘常用于过程控制的控制柜（化工企业）。

为了便于讨论.本设计假定由人工键盘输入温度给定值。 Ⅲ.温度的监测与调节

理想的情况是采用A/D 转换器作为输入通道.当精度要求不高时.可以半导体热敏电阻测量温度.和通过单稳态触发器输出的脉冲宽度来实现温度检测和输入。用热敏电阻也是一种常用的方式。热敏电阻作为半导体的效果往往决定于环境和计算机应用程序配合的结果。

图（b ）是带热敏电阻的单稳态触发器。

图（b）带热敏电阻的单稳态触发器

可以采用温度围为0～120℃的热敏电阻来构成所需要的电路.不用热电偶的原因是：因为热电偶在低温段线性差.它只是在高温段准确。

2.控制方案

本系统中把晶闸管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PID调节规律.把炉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（c）

图（c）系统简化动态结构图

被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为

G

i

(s)=

s

-Ts

e

1-

×

s

T

K

D

ts

+

-

1

e

本系统数字控制器采用增量式PID调节器.由增量式PID控制算法可知：

△U

k

=K〖e

k

-e

(k-1)

+

i T

T

e

k

+

T

Td

( e

k

-2e

(k-1)

+ e

(k-2)

)〗

=K

P

〖e

k

-e

k-1

〗+K

i

e

k

+K

d

〖e

k

-2e

(k-1)

+ e

(k-2)

〗

式中：e

本次设定值与实测值之差

k

三、水温控制系统的详细设计

1.水温控制系统简介

水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见。单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心.采用软件编程.实现用PID算法来控制PWM波的产生.进而控制电炉的加热来实现温度控制。然而,单纯的PID算法无法适应不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变 PID 调节参数值以取得佳性能。

2.电路的工作原理：

系统采用晶闸管作为功率放大器件.对电阻炉提供可控制功率输入。温度经过热敏电阻检测放大I/V变换A/d转化后送入单片机.在单片机部主机将采样值和给定值比较后经过控制算法计算得到控制量.再经D/A转化变成输出脉冲信号.通过零触发电路驱动双向可控硅.单片机通过改变控制脉冲宽度.即改变了可控硅在一个固定控制周期的导通时间.这样电阻率的温度就随电阻炉的平均输入功率改变而变化.也就达到了控温的目的.同时将零同步信号接到单片机外部中断输入端上.在终端服务程序中进行出发控制和控制周期计数。另外可以利用串口通讯实现系统的组态监控。

3.系统的主电路设计

图(d)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(d) 主机系统电路设计图

4.系统硬件组成设计：

带热敏电阻的单稳态触发器作为温度信号的输入通道.输出通道可采用8位D/A转换器输出控制电压.在转换成电流信号.控制调节阀使得炉温控制在要求的给定值围。

（1）过零触发器脉冲电路

图（e）为过零同步脉冲电路.其作用是在电网电压的每一个过零点产生一个同步脉冲。图中TB是同步变压器比较器将50HZ正弦波信号变成方波信号.异或门在方波的上升沿或者下降沿产生过零同步脉冲.单稳触发器的作用是对过零同步脉冲信号整形.最后输出同步脉冲信号Ur

图（e）过零检测同步脉冲信号

（2）晶闸管触发器

闸管的通断由计算机通过输出接口电路控制.见图（f）,图中CPU通过数据输出锁存器发出晶闸管的通断控制信号Uk,晶闸管驱动电路采用双向可控硅型光电耦合器.它由输入和输出两部分组成.输入部分为发光二极管.输出部分为光敏双向可控硅在红外线的作用下可以双向导通。

图（f）晶闸管触发器

（3）系统的硬件电路原理图

系统的硬件电路如下图（g）

人机接口主机过程通道被控对象

图（g ） 硬件系统总体结构图

5.采用对象为大滞后算法求出U （k ）

由G （s ）=

e 1

s 10020

+-50s ,闭环脉冲传递函数如下：

01()[]1

sT NTs

e e H z Z s T s ---=?+101(1)[

](1)N z z Z s T s --=-+ 0

1

1

11(1)(1)

(1)(1)

T

T N

T T e

z z

z z e

z -

-------=---00

(1)

1

(1)1T T N T T e

z e

z -

-+-

--=

-

将上式代入式1()()()1()

H z D z G z H z =

?-中.得 0

(1)

1(1)(1)()()[1(1)]

T T N T T T T N e

z D z G z e

z e z --+----+-=

---

当对象为一阶惯性环节加纯滞后时

11()[]1

sT NTs

e Ke G z Z s T s ---=?+111(1)[

](1)N Kz z Z s T s --=-+

1

1

1

1

11

(1)

(1)

(1)(1)

T

T

N

T

T

e z

Kz z

z e z

-

-

--

-

--

-

=-

--

1

1

(1)

1

(1)

1

T

T

N

T

T

e

Kz

e z

-

-+

-

-

-

=

-

将式（1-4）代入式（1-3）得一阶惯性环节的控制器的D(z)为

01

00

1

1

1(1)

(1)(1)

()

(1)[1(1)]

T T

T T

T T

T

T T

T N

e e z

D z

K e e z e z

--

-

--

-

--+

--

=

----

由上式.控制算法为

)1

(

)

1(

)

1(

)

(

)

1(

1

)1

(

)

1(

)1

(

)

(

1

1

1

0-

-

-

-

-

-

+

-

-

-

+

-

=

-

-

-

-

-

-

-

k

e

e

K

e

e

k

e

e

K

e

N

k

u

e

k

u

e

k

u

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

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：

)1

(

)

1(

)

1(

)

(

)

1(

1

)6

(

)

1(

)1

(

)

(

1.0

1.0

1

1.0

1

1

1-

-

-

-

-

-

+

-

-

+

-

=

-

-

-

-

-

-

-k

e

e

K

e

e

k

e

e

e

k

u

e

k

u

e

k

u

6.编程实现大林控制算法（选取s

T10

=.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(int j=N;j>=0;j--)

{output[j+1]=output[j]; }

编程实现消除振铃现象后的大林控制算法（选取s

T10

=.N=5）。

x1=exp(-Ts/T0);

x2=exp(-Ts/T1);

a0=(1-x1)/(k*(1-x2)*(2-x1));