计算机控制系统课程设计2010.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,：,003,：,00,领设备，材料，每班,10,人,教,4,112,、,116,实验室,2,或,1,人一组，,23,人共用一组设备,第一周星期六,上午,8,：,3011,：,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,：,3011,：,30,下午,1,：,00,4,：,00,测电烤箱飞升曲线,第二周星期一,下午,12,006,：,00,阶段考核：烤箱飞升曲线及参数,第二周星期二、三,上午,8,：,3011,：,30,下午,1,：,00,4,：,00,系统联调,第二周星期四、五、六,上午,8,：,3011,：,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/D,D/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,2.1.1 CK,10A,电烤箱线路图,电机,上、加热管,L 1,3 2,E,N,图,2.1.2 TB330,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,2,V2,V1,方波,1,方波,2,220V,Y1,Y2,AB,DB,CB,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,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,，,采样周期为,T,，,则方波的占空比为,:,u,（,k,）,=/T,u,out,t,t,t,u,e,u,k,T,电炉的平均功率为：,图,2.2.3,固态继电器工作原理,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,离散后可近似为,D(z),图,3.1.1,系统一个温区的简化动态结构图,y(t),r(t),3.2,大林算法令整个系统的闭环传递函数为,则系统的闭环脉冲传递函数为,数字控制器的脉冲传递函数为,，,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,4 PID,数字控制器及其参数整定,4.1,温箱参数的求取,4.2 PID,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=,时，,此时，,y(t),的变化率最大。,t,P(t),Pm,t,a),阶跃信号,b),响应曲线,y(t),k,m,T,m,K,图,4.1.1,阶跃响应曲线,设,当,t4),Io1=fdata,Io0=fdata,Trsign=fdata,Chsign,=,fdata,设：,A/D,读入数据为：,data,（,data=0-4095,），对应电压为：,0-5V,输入：,V=data*5000.0/4095.0(mV),0-10V,输入,:V=data*10000.0/4095.0(mV),-5V-+5V,输入,:V=data-2048)*5000.0/2048.0(mV),-10V-+10V,输入,:V=(data-2048)*10000.0/2048.0(mV),注意软硬件设置,软件设置：,AIN0,AIN1,为,5,V,；,A/D,转换结束，用查询方式，软件启动。,温控实验需要用到的是,2,路模拟输入及,2,路数字量输出，因此需对,A/D,转换通道和,8255,数字输出接口进行测试。,图,5.3.1,测试用到的板通道,A/D,板,AIN0,AIN1,DO0,DO1,5.3.7,测试端口及流程图,设置输入通道,CH=0,和输入电压范围,5V,设置工作模式,Mode,启动,A/D,转换,读入状态口数据,最低位,=0,？,No,读数据,有键入么？,采集通道,2,的数据,结束返回,延时,1s,Yes,No,Yes,图,5.3.2,模拟输入通道,1,、,2,信号采样周期,T=1s,程序流程图,采集通道,1,的数据,写,IO,控制口，,DO0,，,DO1,为输出口,DO0=1,DO1=1,输出,延时,0.5s,DO0=0,DO1=0,输出,延时,0.5s,有键入么？,结束返回,No,Yes,图,5.3.3 IO,口,DO0,、,DO1,输出两列,1Hz,方波程序流程图,5.4,电烤箱参数测试,24V,V1,Y1,A,B,V2,Y2,DB,1,CB,0,上、下加热,控制开关,220 V,图,5,.4.1,双通道计算机温控系统原理图,上加热管,电烤箱,下加热管,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,2,微,机,A/D,板,SSR1,+,-,SSR2,+,-,图,5.4.3 A/D,板与两路固态继电器的控制端口接线图,2,）数字输出通道,通过,DO0,、,DO1,输出两路数字量信号，与两路固态继电器相连。,1 2,19 20,5.5,温控系统调试要求及注意事项,在改造电烤箱时，尽量不破坏原有的结构和接线。实在需要变更的接线端，悬空的接线端应用绝缘胶布缠上，固定在某处；,在固定传感器时，应保证不能与温箱壳接触。否则，可能导致传感器不能用；,在布线时，应尽量使强电与弱电离得越远越好；,做实验时，因有,220V,交流电，应加倍小心；,温箱加热时，加热管和温箱外壳很热，小心被烫；,采样周期,T,通常小一些较好，有经验公式采样角频率,s,10c,，,c,为系统的开环截止频率；,编程时应分模块调试，尤其是测试模块应及早编好，以免影响实验进度；,电烤箱参数测试时的实验环境应与系统联调时保持一致，否则会影响控制精度；,测试电烤箱的温度不应超过,250,（除烤箱号为,980510-14,，温度范围是,0400,度，烤箱号为,980510-2,，温度范围是,0700,度，），否则会损坏传感器；,测温升曲线时，升温、降温曲线都得测，并且测试环境要相同，尤其降温时不能开玻璃门，否则降温参数将测不准确；,存储数据内容应包括时间,t,，,上加热管控制量,u1,，,上传感器温度,T1,，,上加热管控制量,u2,，,下传感器温度,T2,，,平均温度,T,；,飞升曲线要测完整，上下,2,条，尤其要注意开环增益,K,的求取，测试过程中不要开烤箱盖。,变送器输出的电压值与,A/D,板采样值有偏差，可调两处：,1,）变送器上的零与满度旋钮；,2,）,A/D,板上零与满度。,UZ,为满度调节，,R23=23.4k;BZ,为零度调节，一般不调；,AG,为增益调节。,6,数据处理,6.,系统参数的无量纲化,6.2,温度采样值的处理,6.,系统参数的无量纲化,6.2.1,曲线拟和：,测得的电烤箱的飞升曲线需求取其参数，一种是在线求取，另一种是离线求取。下面介绍在线求取方法。以,C,语言为例,:,/=,float,scalek,;/,采样周期，单位为,s,，,这里采样周期为,1,秒，是全局变量,float kmax1,kmax2;/,上下通道的全功率加热曲线的最大变化率,是全局变量,float tao1,tao2;/,上下通道的延迟时间，是全局变量,float K,Tm;/K,Tm,分别为开环增益和烤箱时间常数，是全局变量,void,GetPara,(),/1,最大变化率和延迟时间求取,float k1,kmax1,k2,kmax2;,float starty1starty2;/,上下通道的起始温度,int,iset1,iset2;/,发生最大变化率处的采样次数,kmax1=0;iset1=1;,kmax2=0;iset2=1;,int,n,iK1,iK2;,n=0;iK1=iK2=0;,register,int,i;,6.2,温度采样值的处理,for(i=1;i=11)/Begin to,caculate,the k;,/,将采样间隔次数相差,10,次的温度采样值求曲线的实时斜率,k1=(y1i-y1i-10)/10/scalek;,k2=(y2i-y2i-10)/10/scalek;,if(k1kmax1),kmax1=k1;iset1=i;,tao1=iset1*scalek-(y1iset1-starty1)/kmax1;,if(k2kmax2),kmax2=k2;iset2=i;,tao2=iset2*scalek-(y2iset2-starty2)/kmax2;,delay(scalek,);/,延迟一个采样周期,/2),终值判别及开环增益和烤箱时间常数求取，终值判别算法在求控制曲线性能参数,ts,时也要用到。,if(kmax10.1)&(k1kmax1),/,当控制曲线处于平稳段快进入误差带时，开始终值判别，若连续,10,次采样均满足,y(i)0.01,，,则认为已达到终值,if(abs(y1i-y1i-1)0.01)/y1,为采样温度，是全局变量,n+;,if(n=1)iK1=i;,else iK2=i;,if(iK2-1)!=iK1)iK1=i;n=1;goto ret;/,若不相邻，则重新记初始点,iK1=i;,if(n=10),stopheating,();,K=y1i;,for(n=1;n0.01,则,u(k)=1,转步骤,7),，否则转步骤,4,）,4),用,PID,或大林算法求控制量,u(k),5),若,umin,u(k),umax,则转步骤,7),，否则转步骤,6,）,6),若,u(k),umax,，则,u(k)=,umax,=1,7),输出,u(k),即端口为高电平，延时,u(k)*T,；,端口为低电平，延时（,1-u(k),）*,T,6.3,控制界面设计举例,界面设计流程图,程序执行,进入主界面,进入控制界面,温升测试设置,温升测试,显示温升参数,温度控制设置,温度自动控制,停止加热,退出系统,鼠标单击,鼠标单击,鼠标单击,鼠标单击,鼠标单击,鼠标单击,鼠标单击,弹出对话框,设置温升通道,求取温升参数及飞升曲线,弹出对话框,显示参数,弹出对话框,设置温控参数,画出温控曲线,调用大林算法,/PID,停止,8255,工作,退出控制界面,