具有一阶纯滞后环节设计

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1、目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器(单片机)5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分 可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会、设计任务及方案1.1设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(G(s)= Ks IQs+D)温度控制系 统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为3060，幅值裕度6dB);要求测量范围 -50C200C，测量精度0.5%，分辨率0.2C；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布

2、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=rand(1),考虑 =0 或 T/2 两种情况。C 为学号的后 3 位数，如 C=325，K=115.7，T=0.9824，。=0 或 0.4912。5、进行可靠性和抗干扰性的分析。1.2设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。整 个系统以单片机(控制器)为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检 测

3、然后经过前置放大电路输入A/D转换器，控制器。以此构成闭环控制系统，温度能根据 设定值自动调节。数字量被控对十输出A/D前置放大电路-测温元件二、方案各模块分析2.1被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(G(s)= Ke电/(Ts +1)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 为学号的后 3 位数，如 C=325, K=115.7, T=0.9824,。=0 或 0.4912现取C=359，由MATLAB计算得：c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c) rand(state,c);T=

4、rand(1) K =117.6650 T =0.0510 =0 或 0.0255117.7e -0.0255 s117.7所以G(s)=或0.051s +10.051s +12.2测量元件(热电阻)电路及前置放大电路2.2.1测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性 来进行温度测量的。作为测温敏感元件的电阻材料，要求电阻与温度呈一定的函数关系，温 度系数大，电阻率大，热容量小。在整个测温范围内应具有稳定的化学物理性质，而且电阻 与温度之间关系复现性要好。常有的热电阻材料有伯、铜、镍。成型仪表是铠装热电阻。铠 装热电阻是将温度检测原件、绝缘材料、

5、导线三者封焊在一根金属管内，因此它的外径可以 做得较小，具有良好的机械性能，不怕振动。同时具有响应时间快、时间常数小的优点。铠 装热电阻除感温元件外其他部分都可制缆状结构，可任意弯曲，适应各种复杂结构场合中的 温度测量。热电阻在化工生产中应有最广泛。它的优点：测量精度高；再现性好，又保持多 年稳定性、精确度；响应时间快；与热电偶相比不需要冷端补偿。缺点是：价格比热电偶贵； 需外接电源；热惯性大；避免使用在有机械振动的场合。热电阻具体选型本系统选择了 PT100，温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较 好的伯丝热电阻传感器，可以工作在-200至650r的范围。本系统要求测量的范围是 -50

6、C200C，所以足够满足测量要求。PT100参数介绍：Pt100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下：1) 测量范围：-200C+850C；2) 允许偏差值 AC： A 级土 (0.15+0.002|t| )， B 级土 (0.30+0.005|t| )；3) 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm；4) 允通电流 5mA。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。伯热电 阻的线性较好，在0100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。2.2.2测量电路及前置放大电路由于PT100温度传感器输出是mV级别，所以需要经前置放大电路

7、后输入A/D转换器。图2传感器电路R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电 桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片 机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号 大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数 过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图2所示，前一级约为10倍，后一级 约为3倍。温度在0100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分 信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。注意：虽然电桥部

8、分已经经过TL431稳压，但是整个模块的电压VCC 一定要稳定， 否则随着VCC的波动，运放LM358的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致 A/D转换的结果波动，测量结果上下跳变。2.3 A/D转换器系统要求测量范围-50 C200 C，测量精度0.5 %，分辨率0.2 C。所以选取 250/2048=0.122，A/D转换器12位才能满足设计要求。现选取12位A/D转换器AD574，主要性能如下：1）分辨率：12位2）非线性误差：小于土 1/2LBS或1LBS3）转换速率：25us4）模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种5）电源电压：15V和5V6）数据输

9、出格式：12位/8位7）芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式VinVL1溜 csAOR=CCE vccREF OUTACREFIN VEE BrOFFJO g 20VINAD514ADB10DB9DBS3 2 10 DB3B3B朗6 -3 4ITP1.0CT2)P1.1CT2E?Pl.2Pl.3Pl API.5(LIOSP1.5CMI 队P1J(SCK：4LS373PS.3CINTJPS.TflNTiPS. 5(11)P3.4IJ0)图3 A/D转换器部分电路2.4控制器（单片机）本系统采用AT89S52足够满足系统需要，主要性能：1）与MCS-51单片机产品兼容2）28K字节在系统可编程

10、Flash存储器3）1000次擦写周期4）全静态操作:0Hz33Hz5）三级加密程序存储器6）32个可编程I/O 口线7）三个16位定时器/计数器8）八个中断源9）全双工UART串行通道10 ）低功耗空闲和掉电模式11）掉电后中断可唤醒12）看门狗定时器13）双数据指针14）掉电标识符功能特性描述：不必外接RAM、ROM及端口扩展。Pkflcry邮IPOPI.KT2EX)(AD11PD4Pl 2CAD2JPD2Pl 3CAD3IPD3Pl.4CADJJPt.JPl.StMOSI)(AD5JPO3Pl.(AD7)P0.?P33rTl(AB1P2.0(AflIP：.!.(M01K2P34(T0j(

11、Ar2)F14(A13)P2.3EA.-VPP(A14JP16CA.L5JP2J .=XTAL1XT.U2VCCGKDRSTRXD 咿(TXDJPG.I.ALEPROnPT仗WR)图4单片机控制器AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。 使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位 CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解 决方案。AT89S52具有以下标准

12、功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗 定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电 模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电 保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止。2.5光隔驱动器（PWM控制）单片机通过算法运算，得出控制信号，通过程序转换成脉宽可调的脉冲信号，然后经过 DAC去驱动光隔驱动器，改变脉冲信号的脉宽则可达到控制电热

13、丝导通时间的目的，从而按 需要改变温度。光隔驱动的作用在于使主电路与二次回路（控制回路）绝缘，保护控制电路。图5光隔驱动2.6整机电路图VLmrtnC5emd助1C任X.MF INILLIE-Z-JHEa19r龙is Tr：rg3TOf英您MCH誓EQ：:Q8JIQIQ?gG15*Ui_：22:a jPLg1皿斑）冲1件PL2Ig死?l_5mi皿却,PI冲坦J=1i.UHrFJ 1,Fl w；，i：.UT_财叫时空0削算Elg心的k M心xrns用g,K5TtMDOFSOT7D51U7三、数字控制器D(Z)的设计3.1控制器D(Z)的设计117.7 e -0.0255 s117.7由题有G(s)=或0.051s +10.051s +11)当0 =0时，由MATLAB经M文件编译n1=117.7;d1=0.05 1;g1=tf(n1,d1); np,dp=pade(1,2);gp=tf(np,dp);g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0)60B cwde- DiagirzamG-m - Inf , Pm = 9Q.5- deg (at _2.3Se+QO3- rad/sec)