《武汉科技大学计算机控制与接口技术课程设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉科技大学计算机控制与接口技术课程设计（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、二。一二二。一三学年第一学期信息科学和工程学院课程设计报告书课程名称：计算机控制和接口技术课程设计班 级： 自动化2009级班学 号：姓 名：指导教师：二。一三年一月一、设计题目和设计要求1. 设计题目马弗炉温度控制系统的设计2. 设计任务和要求设计一个马弗炉温度控制系统，对象的传递函数：G (s)= 4-e-50s，炉子为电 100 s +1炉结构，单相交流220V供电。温度设定值：200900C，可以任意调节。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) 定出闭环数学控制的程序框图。二
2、、设计任务分析（一）系统设计：在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩蜗炉、用于热处 理的加热炉，以及各种不同用途的反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重 要环节。随着计算机技术的不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加 成熟。实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好的特点，无论在提高产品质量还 是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。该系统以MCS-51单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度 的实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必要的信息等功能。由外 部操作键盘，输入给定数值，进行相应的参数设定，并可以
3、根据需要进行手动、自动 之间的切换。本系统主要由单片机使用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测和信 号放大模块、数字控制和同步触发模块等部分组成。单片机使用系统主机板采用模块 式结构，功口线和各信号设计成总线形式，使用系统的各部分都通过总线插座方便地 和单片机接口。图1单片机炉温控制系统结构图（二）控制方案本系统中把可控硅和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，我们采用数字数字控制器直接设计的方法，把炉内温度控制的 设定值和实测值进行比较，是静态误差最小。理论分析和实践证明电阻炉是一个具
4、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2图2系统简化动态结构图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一大林算法往往比较简单。因此该 系统采用大林算法。（三）控制方案的实现在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，
5、对象的纯滞后时间T对 控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间T和对象的惯性时间常数T1之比，艮旷/T1N 0.5时，采用常规的比例积 分微分（PID）控制，很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控 制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制。本设计以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶惯性 环节。即G( s)=Ke项sTs +1i本设计的被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。式中：T为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期T的整数倍：t= NT大林算法的主要设计目标是系统在单位阶
6、跃输入作用下，整个闭环系统的传 递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。即e -aH （s）=T0 s +1（1-1）要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。和H（s）相对应的闭环系统脉冲传递函数为1 e-sTH (z) = Z se-NTsTs +101)Zs( T + 1)0=z - N (1- z-1)(1 j) z-1T(1- z-1)(1 e z-1)(1-e T0)z-(n+1)T1 - e 一 T0 z-1(1-2)将上式代入式D( z) = 7；二 G (z)；中，得1 H (z)T(1-e 一 t ) z - ( n+1)D( z)=TTG (z )1-e
7、 一 t z-1 (1-e 一 t ) z - ( n+d 当对象为一阶惯性环节加纯滞后时(1-3)1 e-sTG (z) = Z sKe-NTsTs +11=Kz 一 n (1- z-i) Z T(1-eT) z-1=Kz - n (1- z-1)(T(1- z-1)(1 eT,z-1)_T=Kz - ( n+1) (1 e T1 eTx z-1将式(1-4)代入式(1-3)得一阶惯性环节的控制器的D(z)为(1-4)D( z)=TT(1 e-To)(1 e-?1 z-1)TTTK(1 e一t )1 e一T)z-1 (1 e一气)z-(n+d由上式，控制算法为TT Tu(k) = e To
8、u(k 1) + (1 e Wo )u(k N 1) + 1 e e(k) (1 e )e T1 e(k 1)TT . . K (1 e t1)K (1 e t1 )在本设计中取T为10s ， 数据可以算得：=10s，那么N为5；其中=100，K为1；代入相关则有上式可以得到控制算法为:u (k) = e -1u (k -1) + (1 - e -1 )u (k - 6) +(四) 编程实现大林控制算法(选取T0 = 10s，可取N=5)。ei=sv-fVbltage;x1=exp(-Ts/T0);x2=exp(-Ts/T1);a0=(1-x1)/(k*(1-x2);a1=x2*(1-x1)/
9、(k*(1-x2);b1=exp(-Ts/T0);b2=1-exp(-Ts/T0);output0=b1*butput1+b2*outputN+1+a0*ei-a1*eix;eix=ei;for(int j=N;j=0;j-)outputj+1=butputj; (五) 编程实现消除振铃现象后的大林控制算法(选取T0= 10s，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;output0=b1*output1+a0*ei-a1*eix;eix=ei
10、;for(int j=N;j=0;j-)outputj+1=butputj; 三、详细设计(一) 马弗炉温度控制系统介绍50年代，由于计算机的出现，人们开始在实验室、工厂或其它条件中使用用计算 机进行数据采集和处理。此时的计算机只起到“离线”的使用，功能较单一，且过 程装置和微机之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一步发展，提供了过 程装置和计算机之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机和变送器和执行部 件之间的信号双向传递无需人工干涉。1962年，英国帝国工业公司安装了 Ferranti Argus计算机控制系统，使用计算机自动控制系统代替模拟仪表控制，即模拟技术由 数字技术代替
11、，而系统功能保持不变，计算机控制系统使用真正开始，历经多年的发 展，到70年代中期，集散控制系统的发展进入快车道，炉温控制在工矿企业中逐步 兴起，控制方式也不断改进，算法不断深入，整体技术趋于成熟。我国对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究从80年代开始。随着计算机 技术、检测设备、电器仪表的提高，90年代初开始我国钢铁企业使用计算机控制温控 炉逐渐增多，自动化控制程度不断提高，由于各自使用条件和生产过程的不同，所取 得的成效各不相同。目前我国在自动化控制理论方面同外国同行业水平相差不大，但在实际使用上和日本、欧美等计算机技术发达的国家相比较还有很大的差距。从20 世纪90年代末国内许多老企
12、业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的升级，从 国外进口先进的计算机设备，仪表部分采用国产的，整套的进口自动控制设备开始出 现在一些大型企业中。随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能 化直接监测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。 但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m以上，宽5m以上，是一个非线性、大惯 性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响 燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。近年来， 随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表
13、性 能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来越多的使用。量子物理 浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自动控制方面也吸引了国内外研究者的目光。（二）单片机控制系统设计一硬件系统硬件设计的任务是根据所要达到的控制目的，给出结构框图，然后逐一设计出每 一个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。人机接口主机过程通道被控对象温度设定输出锁 存器光电隔卜离电，路输出驱动器温度显示CPU打印I/O接口电路故障报警单片机8031图3硬件系统总体结构图多路转换开关锅炉温度（三）单片机控制系统设计一软件系统本套系统采用大林算法作为控制算法。采用C语言来实现。主程序并行口初始化串行口初始化30s定时到？I Y拨盘设定值检测温度检测8255/初始化定时器初始化中断系统初始化温度控制等待定时中断中断返回1报警及事故处理图4软件设计总体流程图a -1 i bruk-1四图4.1大林算法流程图3也冏jpg 4孑或丁 T整th建妈z击|=板 k忘值 Ttl- T *1（四）系统的主电路设计图5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。U1单片机40Vcc19XTAL1
