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：

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

可以采用温度范围为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：

G p(s)=k

1+T1s

e?τs

在检测的基础上，我们采用数字PID调节规律，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（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

k

本次设定值与实测值之差

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，在单片机内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内的导通时间，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范围。

（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：

将上式代入式1()()()1()

H z D z G z H z =

?-中，得 当对象为一阶惯性环节加纯滞后时

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 ，T 0=10s ，那么N 为5；其中T 1=100，K 为1；代入相关数据可以算得：

D (z )=(1?e ?1)(1?e ?0.1z ?1)

(1?e ?0.1)[1?e ?1z ?1?(1?e ?1)z ?6]

则有上式可以得到控制算法为：

6.编程实现大林控制算法（选取s T 100

=，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 T 100=，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(int j=N;j>=0;j--)

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

7.系统应用软件（程序）的设计

系统软件部分包括主程序、采样定时中断程序、数字滤波、串口通讯及大林算法运算等。主程序完成硬件初始化、变量初始化等任务，然后循环检测热电偶检测的度值，若发现温温度超限， 则断开控制输出、屏蔽采用定时中断，发出报警信号，

并等待温度降至安全值后重启。采样中断服务程序完成对温度的采样、控制算法、输出触发控制晶闸管导通角。采用定时器中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A／D转换模块及热电偶线性化模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经输出口输出脉冲控制过零触发器。软件设计总体流程图如（h）所示

8.闭环数字控制的程序框图

采样中断服务程序完成对温度的采样、控制算法、输出触发控制晶闸管导通角。

采用定时中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A／D转换模块及热电偶线性化模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经输出口输出脉冲控制过零触发器。系统采用惯性滤波法，以消除噪声干扰。控制器是控制系统的核心，用它完成大林控制算法程序，实现了炉温的有效控制。

大林算法流程图如图（i）所示

图（i）大林算法流程图

9.系统的设计分析与改善

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。

系统采用惯性滤波法，以消除噪声干扰，对于含大滞后环节的水温控制系统，普通PID控制难以达到较理想的控制效果，而采用大林算法进行控制效果明显提高。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单片机的水温控制系统设计。我对其中单片机的应用和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。在我学习计算机控制的时候，理论知识不丰富，也无实践，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。活到老学到老。