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1、目录目录第一部分 设计任务.2一、课程设计题目及要求.2二、设计任务对象与设计的分析论证.3第二部分 设计方案.5一、设计方案分析论证.5二、系统方框图.14三、程序设计流程图.15第三部分 电路设计.19一、器件选择.19二、温度检测电路与整形放大滤波电路.21三、A/D 转换电路 .21四、D/A 转换电路 .22五、数码管显示电路.23第四部分 整机电路图.24第五部分 安装调试及性能检测.25一、安装调试.25二、系统性能分析.25第一部分第一部分 设计任务设计任务一、课程设计题目及要求一、课程设计题目及要求题目题目：具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计要求要求：1、针对一个具有
2、纯滞后的一阶惯性环节( )1sKeG sTs 的温度控制系统和给定的系统性能指标：（1）工程要求相角裕度为 3060，幅值裕度6dB（2）要求测量范围-50200，测量精度 0.5，分辨率 0.22、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;对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C), rand(state,C),T=rang(1),考虑 =0 或 T/2 两种情况。C 为学号除去最后一位的后 3 位数，如学号 201330583168，则C=31
3、6，K=115.7，T=0.9824，=0 或 0.49125、进行可靠性和抗干扰性的分析。6、时间安排：7 天二、设计任务对象与设计的分析论证二、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控制对象的分析与说明由设计任务可知，本人的学号为 201330581010，则 C=101。在 MATLAB 命令窗口中输入相关的命令可以得到 K 和 T。C=101;K=10*log(C*C-sqrt(C)K =92.2926rand(state,C)T=rand(1)T =0.6211即是 K=92.2926，T=0.6211由要求可得 =0 或 =T/2=0.3106（1）当纯时延为 0 时
4、( =0)，被控对象传递函数为：92.2926( )0.62111G ss（2）当纯时延为 T/2( 0.3106)，被控对象传递函数为：0.310692.2926( )0.62111seG ss 针对以上两种情况，需要分别进行分析，以取得预期效果。2.系统设计的一般步骤和要点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？第二部分第二部分 设计方案设计方案一、设计方
5、案分析论证一、设计方案分析论证1.控制对象特性分析控制对象特性分析（1）当 =0 时，92.2926( )0.62111G ss 使用 MATLAB 画出其频率特性曲线图，程序如下：num=92.2926den=0.6211 1g=tf(num,den);margin(g);grid on;得到 =0 时的系统波特图：从上图可以看出，系统的幅值裕度为无穷大，相角裕度为 90.6，故不满足题要求。（2）当 0.3106 时，0.310692.2926( )0.62111seG ss 使用 MATLAB 画出其频率特性曲线图，其程序如下：num=122.0501den=0.8190 1g=tf(n
6、um,den,iodelay,0.4095);margin(g);grid on;得到 0.3106 时的系统波特图：从波特图中可以看出幅值裕度为-0.111，相角裕度为-33.6。所以不满足要求。综上，分别要对 0 和 0.3106 两种情况分别进行设计。2.算法选择算法选择最小拍无纹波：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
7、着局限性：对输入信号类型的 1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。 2 3Dalin 算法算法：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。综合选择：综合选择：对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定
8、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.控制器设计控制器设计（1）当 =0 时，92.2926( )0.62111G ss现采用最少拍无纹
9、波设计方法设计该对象的控制器 D(Z) ，取采样周期为T=0.1T=0.06211s。设系统输入为单位阶跃输入 1(t)，则系统期望闭环传递函数为：H（z）=1zG（z）=0( )( )hZ G s G s192. 29268. 783(1) (0. 62111)z - 0. 9048zZss数字调节器控制规律 D（z）为：D(z)=( ) ( )1( )H z G zH z11z - 0. 90480. 11390. 1030 8. 783(1)1zz zz系统开环脉冲传递函数为：D（z）G（z）( )kGz0. 11390. 10308. 783 (1)z - 0. 9048z z111z
10、 z因此，对最少拍系统进行开环特性测试，MATLAB 程序以及运行结果如下：Ts=0.1；dnum=1；dden=1,-1；Zk=tf(dnum,dden,Ts)；margin(Zk)；Sample time: 0.1 secondsDiscrete-time transfer function.由上图可知系统幅值裕度为 6.02dB，相角裕度为 60deg，符合设计要求。采用 MATLAB 的 SIMULINK 软件进行仿真，系统框图如下：如下为输出的结果仿真图：分析：在第一秒输入阶跃信号，从图中可以看出，在第二拍，即是2T=0.12422，时间横轴为 1.12422 的时候，输出跟随了输入
11、，达到了性能设计的要求。（2）当 0.3106 时，0.310692.2926( )0.62111seG ss 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mT0.5 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， 0.3106，0.6211，K=92.2926。1由达林算法，取得系统期望闭环传递函数为： 0. 3106 ( )0. 62131seH ss式中，0.6213，大于，则 RA0，无振铃现象。1由于LT，取 L2，可得 T/20.1553s0.7788，0.7788/Te11/Te由以上数据可得系统期望闭环脉冲传递函数为：H（z）( )( )hZ G
