计算机控制系统课程设计2010

计算机控制系统课程设计指导书北京邮电大学自动化学院张秦艳，林雪燕0.绪论1.计算机控制系统2.温控实验系统构成及建模3.计算机温控系统的数学模型及大林算法4.PID数字控制器及其参数整定5.温控系统测试电路6.数据处理绪论1课程设计目的2课程设计任务3验收内容4时间安排及分组课程设计目的通过设计制作一套电烤箱计算机温度控制系统，全面理解和运用控制理论的基础知识，培养综合处理和解决实际问题的能力。先修课程：高级程序语言设计；微机原理；机械控制工程基础；现代控制论；计算机控制系统设计及现代检测技术等。课程设计任务（1）0.2.1电烤箱计算机双路温度控制系统1）硬件设计包括温度检测通道和控制通道的元件选型（要有适当的参数计算）；2）元件测试包括传感器及变送器测试，固态继电器测试，A/D板模拟输入通道和8255各端口测试以及电烤箱参数测试，求得电烤箱的性能参数；3）硬件制作包括整个实验系统的连接；4）软件编程包括各个测试程序模块，控制算法模块，电烤箱上通道、下通道、双通道输入输出模块，测试结果显示、存盘、打印模块；课程设计任务（2）5）整个系统联调，要求微型计算机温度控制系统应完成：a）两个温区温度的闭环直接数字控制,每个温区的温度在100～250℃范围内连续可控，各温区的温度可自动设定，也可以人工设定。b）两个温区温度的巡回检测、显示、数据存储和打印。c）此外，还要实现系统升温、保温状态指示，超温报警等功能。测出单路原电烤箱温控系统、单路计算机温度控制动静态时域指标（至少有2种算法）和双路温度控制动静态时域指标。验收内容0.3.1课程设计报告（打印）：封面：课程名称，设备号（烤箱、A/D板、微机），软件开发环境，姓名，指导教师，报告日期；计算机控制系统硬件系统接线图；电烤箱性能测试曲线（对温控系统）及参数计算；采用的控制算法及编程；控制系统调试结果（包括波形，时域性能指标及控制参数）；课程设计过程中出现的问题及解决办法，对本次课程设计的意见和建议。1.3.2电子版：课程设计报告完整的软件原程序和运行程序实验测试数据（*.dat）及曲线（*.jpeg）。1.3.3平时成绩：系统设计，软件编程，实验和出勤率。1.3.4答辩：理论学习的内容和课程设计过程中出现的问题及解决办法。3.5评分标准：考勤劳动20分软件30分答辩10分控制效果10分报告30分提前一天加5分，晚一天减10分分组及时间安排•每人必须做一条飞升曲线和一条控制曲线；•必须有做PID算法，有做大林算法；•必须有做单通道（目标温度100℃），有做双通道（目标温度150℃）每套设备中：时间内容地点第一周星期五上午9：00～11：30理论学习教4－302第一周星期五下午2：00~3：00领设备，材料，每班10人教4－112、116实验室2或1人一组，2~3人共用一组设备第一周星期六上午8：30~11：30下午1：00～4：00元件测试，系统硬件连接，软件编程第一周星期日上午8：30~11：30下午1：00～4：00测电烤箱飞升曲线第二周星期一下午12：00~6：00阶段考核：烤箱飞升曲线及参数第二周星期二、三上午8：30~11：30下午1：00～4：00系统联调第二周星期四、五、六上午8：30~11：30下午1：00～4：00答辩验收，交原始数据，交报告，源程序第二周星期日上午8：30还设备1计算机控制系统1.1计算机控制系统概念及应用1.2计算机控制系统特点1.3计算机控制系统的组成和分类1.1计算机控制系统概念及应用控制器执行机构被控对象测量装置+-给定值被控量图1.1.1常规控制系统计算机控制规律计算程序执行机构被控对象测量装置A/DD/A给定值被控量图1.1.2计算机控制系统1.2计算机控制系统特点模拟数字混合系统采用的分析方法是z变换和差分方程系统的通用性和灵活性大大增强计算机运算速度非常快，可分时控制便于实现控制与管理一体化。1.3计算机控制系统的组成和分类数字量输出数字量输入多路开关A/D多路开关传感器及变送器执行机构工业对象D/A打印机显示终端I/O接口I/O接口操作台计算机主机I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口通用外围设备主机及操作台I/O通道信号检测及变送图1.3.1典型计算机控制系统组成框图被控对象分类操作指导系统直接数字控制系统(DDC)监督控制系统(SCC)分级控制系统（HDC）集散型控制系统(DCS)计算机控制网络控制规律程序和顺序控制比例积分微分控制（PID）有限拍控制复杂规律的控制智能控制2温控实验系统构成及建模2.1家用电烤箱工作原理2.2计算机温控系统原理2.1家用电烤箱工作原理电烤箱一般具有自动恒温、自动定时及选择上、下火的转换开关，通电后，加热器表面温度可达500℃～600℃，其热量主要以红外辐射形式为主，被箱内食物吸收而产生烘烤作用。其辐射传热约占60～70％，对流传热约占30～40％。本系统采用的是长帝牌CK-10B调温定时电烤箱,功率消耗500W+500W,有效容积为12L。电烤箱电气控制装置主要包括调温器、定时器和开关三大部分M插头定时器补偿丝功率选择开关限流电阻温控器指示灯图2.1.1CK－10A电烤箱线路图电机上、加热管L132EN图2.1.2TB330电烤箱线路图L端子台微动开关定时器电阻旋转开关下发热管上发热管温控器指示灯调温器大多为双金属片调温器，调温器的温度范围一般在100℃～250℃之间，分成若干档。控制温差大约在30度上下。a)上通道加热b)下通道加热，控制温度100度c)双通道加热，控制温度150度图2.1.2纯机械温控器控制特性曲线2.2计算机温控系统原理图2.2.1双通道计算机温控系统原理图＋24V－加热管1加热管2微机A/D板变送器1变送器2温度传感器1温度传感器2固态继电器1固态继电器2V2V1方波1方波2~220VY1Y2ABDBCB电烤箱固态继电器是一种无触点电子开关，开关速度很快，能达到μｓ级。驱动电路输入电路隔离耦合电路功能电路触发电路输出电路图2.2.2固态继电器方框图设第k个采样周期中，输出为1（高电平）的时间τ，采样周期为T，则方波的占空比为:u（k）=τ/TuouttttueukτT电炉的平均功率为：RUNnP2图2.2.3固态继电器工作原理RUTkP2)(3计算机温控系统的数学模型及大林算法3.1计算机温控系统的数学模型3.2大林算法3.1计算机温控系统的数学模型设电烤箱中加热的功率为P(t),散热功率为Q(y(t)),空气的质量为M，比热为c,空气的温度为y(t)，根据传热学定律可知：线性化后其传递函数为))(()()(tyQtPdttdycM)()()(tfytPdttdycMsTKesfcMefsPsYmss111)()(离散后可近似为)()1()(mkBUkAykyD(z)图3.1.1系统一个温区的简化动态结构图sTKems1seTs1y(t)r(t)sTKesezsGzzGmsTs11)]([)(1//11)1(zeezKmmTTTTN3.2大林算法令整个系统的闭环传递函数为scesTs11)(1//11)1()(zeezzccTTTTN则系统的闭环脉冲传递函数为)](1)[()()(zzGzzD])1(1)[1()1)(1(1/1//1//NTTTTTTTTTTzezeeKzeeccmmc数字控制器的脉冲传递函数为12111101)(NzbzbzaazD)1(1//0mcTTTTeKea)1(////1mcmmTTTTTTTTeKeeacTTeb/1cTTeb/21，)1()()1()1()(1021keakeaNkubkubku初始化e(0),e(1),u(0),u(1)...u(-N-1)采样y(k),读入r(k),计算偏差e(k)=r(k)-y(k)返回存u(k)以备输出参数序号调整e(k)→e(k-1)u(k-N)→u(k-N-1),...,u(k)→u(k-1)计算控制量图3.2.1温控算法流程图)1()()1()1()(1021keakeaNkubkubku4PID数字控制器及其参数整定4.1温箱参数的求取4.2PID控制器参数对系统性能的影响4.3用扩充响应曲线法选择PID参数4.4补充算法4.1温箱参数的求取已知被控对象温箱为带延迟的一阶惯性系统，其传函为其阶跃响应为对T(t)求导得当t=τ＋时，此时，y(t)的变化率最大。sTKesGmsp1)()()1()0(0)(teKttymTt)()0(0)(teTKttymTtmmTKy)(tP(t)Pmt０a)阶跃信号b)响应曲线y(t)kmτTmK图4.1.1阶跃响应曲线max)()(*ytytytTmtety1)(*设当t时，y0*(t)=0；时，当可以在t后任取两点：Tmtety11)1(*，Tmtety21)2(*推得计算参数的公式：))2(*1ln())1(*1ln())2(*1ln(1))1(*1ln(2tytytyttyt))2(*1ln())1(*1ln(12tytyttTm在实际使用时应多选若干组求取参数，这样参数才比较准确。4.2PID控制器参数对系统性能的影响模拟PID控制器公式如下：})()(1)({)(dttdeTdtteTteKtudip控制器的传递函数sTsTKsEsUsDdip11)()()(其中KP为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID控制器的这些参数，分别对系统性能产生不同的影响。KP加大，响应速度加快，可以减小稳态误差ess。Ti越小，积分作用越强，积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。Td越大，微分作用越强，微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短。由此可得温度控制系统得开环传函sTsTKsTKesDsGsGdipmspK111)()()(可见，该系统含有典型的非线性环节，PID控制器参数选择得不好，则会引起系统的震荡。将模拟的PID控制器变换成相应的PID数字控制器)}2()1()({)1()(210keakeakeaKkukup其中TTaTTaTTTTadddi210),21(,1这里，T为采样周期，数字控制器与模拟控制器不同，只要采样周期要足够小，就能将离散系统近似为连续系统来对待。4.3用扩充响应曲线法选择PID参数控制度，就是数字控制器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分比，即控制度=通常，当控制度为1.05时，数字控制器和模拟控制器的控制效果相当。ADdtedte0202控制度控制规律T/τKP/(Tm·τ－１)Ti/τTd/τ1.05PIPID0.10.050.81.153.42.0-0.451.2PIPID0.20.160.731.03.61.9-0.551.5PIPID0.50.340.80.853.91.62-0.652.0PIPID0.80.60.570.64.21.5-0.82注：表中的参数是归一化参数，故实际控制算法中的e(k)应为250)(max）（）（实测实测keekeke步骤：1）用仪表记录下被调参数在阶跃作用下的变化过程曲线。2）在曲线最大斜率km处做切线，求得滞后时间τ，对象时间常数Tm，以及它们的比值Tm／τ。3）查表3即可求得控制器的采样周期T及Kp、Ti和Td。tP(t)1t０