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纯滞后的一阶惯性环节设计.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.53M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    一、设计题目及要求
    二、设计方案与结构图
    1、计算机控制系统结构图
    2、硬件结构图
    三、 电路硬件设计
    1、 电桥电路
    2、放大环节
    3、滤波电路
    4、A/D转换器
    5、D/A 转换电路
    四、参数计算及仿真
    1、时数字调节器D（z）的实现
    a、无控制作用下系统伯德图
    b、最少拍下调节器函数
    C、最少拍下系统伯德图
    d、单位阶跃响应下系统输出
    e、施加阶跃干扰信号
    f、施加随机信号影响
    2、时数字调节器D（z）的实现
    a、无控制作用下系统伯德图
    b、达林算法下调节器函数
    C、达林算法下系统伯德图（未加增益）
    d、达林算法下系统伯德图（加增益）
    e、单位阶跃响应下系统输出
    f、施加阶跃干扰信号
    g、施加随机信号影响
    五、心得与体会
    目录 一、设计题目及要求........................................................................................................................ 2 二、设计方案与结构图 .................................................................................................................... 2 1、计算机控制系统结构图......................................................................................................2 2、硬件结构图 .......................................................................................................................... 3 三、 电路硬件设计 .......................................................................................................................... 3 1、 电桥电路 ............................................................................................................................ 3 2、放大环节.............................................................................................................................. 4 3、滤波电路.............................................................................................................................. 5 4、A/D 转换器...........................................................................................................................5 5、D/A 转换电路 ......................................................................................................................6 四、参数计算及仿真........................................................................................................................ 7 1、 0 时数字调节器 D（z）的实现 ..................................................................................7 a、无控制作用下系统伯德图..........................................................................................7 b、最少拍下调节器函数 ..................................................................................................8 C、最少拍下系统伯德图 ................................................................................................10 d、单位阶跃响应下系统输出 ........................................................................................11 e、施加阶跃干扰信号 ....................................................................................................12 f、施加随机信号影响.....................................................................................................13 T 时数字调节器 D（z）的实现 ...........................................................15 a、无控制作用下系统伯德图........................................................................................15 b、达林算法下调节器函数............................................................................................16 C、达林算法下系统伯德图（未加增益） ....................................................................18 d、达林算法下系统伯德图（加增益） ........................................................................19 e、单位阶跃响应下系统输出 ........................................................................................20 f、施加阶跃干扰信号.....................................................................................................21 g、施加随机信号影响.................................................................................................... 23 五、心得与体会.............................................................................................................................. 24 / 2 0.374 2、  1
    一、设计题目及要求 1、 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节 ( ) G s  sKe   的温度控制系统和给 1 Ts 定的系统性能指标：  工程要求相角裕度为 30°～60°，幅值裕度>6dB  要求测量范围-50℃～200℃，测量精度 0.5％，分辨率 0.2℃ 2、 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θ=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，θ=0 或 0.4912 5、 进行可靠性和抗干扰性的分析。 二、设计方案与结构图 1、计算机控制系统结构图 w(t) + e(t) e(kT) 数字控制器 u(kT) u(t) 保持器 被控过程 y(t) - T 其控制过程可描述如下： 1) 只有在采样开关闭合（即采样）的 kT 时刻，才对系统误差 e(t)的瞬时值 进行检测，也就是将整量化了的数字量 e(kT)输入给计算机（数字控制器）。 这一过程称为实时采集。 2) 计算机对所采集的数据 e(kT)进行处理，即依给定的控制规律（数字控制 器）确定该 kT 采样时刻的数字控制量 u(kT)。这一过程称为实时决策。 3) 将 kT 采样时刻决策给出的数字控制量 u(kT)转换为 kT 时刻生效的模拟控 制量 u(t)控制被控对象。这一过程称为实时控制。 2
    2、硬件结构图 AD 转 换 单 片 机 信 号 滤 波 DA 转 换 信 号 放 大 温度输出 温 度 控 制 被 控 对 象 温 度 检 测 设计方案： 温度检测环节通过温度传感器实时测量温度并通过差分放大电路放大其信号， 之后通过滤波环节除去信号中参杂的高频干扰，利用偏差信号进行控制。之后对 信号进行采样，通过 AD 转换器将模拟信号转换成数字信号送入到单片机中去处 理，单片机通过程序输出控制信号，控制信号通过 DA 转换器转换成模拟信号之 后对执行元件进行控制，使被控参数符合系统的要求。 而该系统采用闭环控制，具有自动调节的能力，将温度控制在一定的范围内， 由于单片机强大的算术运算和逻辑运算功能，使得高精度高性能的调节方案可以 通过软件实现，并且具有良好扩展性(例如功能扩展)，故本系统理论上可以实现 良好的控制效果并尽可能地智能化。 三、 电路硬件设计 1、 电桥电路 电桥电路是用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流。分直 流电桥和交流电桥，交流电桥主要用于测量电容式传感器和电感式传感器的电容 和电感的变化，直流电桥主要用于电阻式传感器。我们这里是用热敏电阻来测量 温度的变化，所以先用直流电桥。而电桥可以分为单臂电桥，半桥差动和全桥差 动。全桥差动和板桥差动虽然输出信号对电源的影响减小，但增加传感器的个数， 为了节约成本，可选择单臂电桥。电桥电路如下： 3
    图中 R5,R6,R7,R8 和 R2 构成电桥电路，其中 R2 起的作用是，在传感器变化为零 时，调节 R2 使电桥平衡，输出为零。假设 R5=R6=R7=R8=R，电桥输出 U  O R  4 R U 。 2、放大环节 由于电桥输出的信号十分微弱，所以放大电路采用义用放大电路对信号进行 放大，电路图如下： 其中义用放大电路的放大倍数为： u 0 (1   RR 2 f 1 R R 2 ) ( u i 2  u ) 1 i 如上图所示的放大位数为 79.5 倍。由于放大信号很微弱，而且电桥输出电阻较 高，所以义用放大电路的运算放大器要求输入电阻很高，这里可采用场效应管组 4
    成的输入电路 T1084。 3、滤波电路 为减少或消除外界干扰，而且温度变化的频率很慢，所以我们使用幅频特性较好 的二阶有源低通滤波电路，电路图如下： 图中 C1 为 0.2uF，C2 为 100pF,R13=R10=10K，低通滤波器的上限频率略等于 314HZ， 而且设定放大倍数为 1。 4、A/D 转换器 根据题目要求，温度测量范围为 50  o C ~ 200 o C ，分辨率为 0.2oC ，则测量 是量程为 200 o C   ( 50 o C )  o 250 C ，再由 n 2  250 0.2 o o C C  1250 ，可得 10.29 n  。可 取 12 n  ，即采用 12 位的 ADC 和 12 位的 DAC。 当采用 12 位 ADC 进行模/数转换时,其分辨率为 C o 250 12 2  0.06 o C ，远远满足 设计要求。可采用 ADC574A 芯片。电路图如下： 5
    8051 的 P0 口作为 AD574A 的地址线，P0 口和 P2.0、P2.1、P2.2、P2.3 口作 为数据线，用于接收获取 AD574A 的转换结果。P0 口经地址锁存器 74373 锁存， 8051 EA 并经三-八译码器 74138 译码后的 1Y 信号作为 AD574A 的片选信号输入。 INT1 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 STS 10VIN AD574A DB11 DB10 DB9 DB8 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 RD CE CS REFOUT BIPOFF A0 G E 11 ALE 5、D/A 转换电路 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 由上分析，本设计需要采用 12 位的 A/D 转换器，与之相对应，可采用 12 74138 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 Vin 13 14 15 16 17 18 19 20 OE2B OE2A OE1 位的 D/A 转换器 DAC1208 芯片进行模/数转换。 REFIN WR P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 RD 74373 5 4 6 3 2 1 C B A + 7 9 10 11 12 13 14 15 8051 的 P0 口作为 DAC1208 的地址线，P0 口和 P2.4、P2.5、P2.6、P2.7 口作 为数据线，用于传送经达林算法后的运算结果。P0 口经地址锁存器 74373 锁存， 并经三-八译码器 74138 译码后的 0Y 信号作为 DAC1208 的片选信号输入。 8051 与 DAC1208 的连接图如下所示： 8051 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 ALE P0.7 EA INT1 P2.3 P2.2 P2.1 6 G D7 E Q7 11 13 Y7 Y6 Y5 7 9 10 DAC1208 DI11 D10 DI9 DI8 DI7 DI6 DI5 DI4 DI3 Iout1 Iout2 OA + - Vout
    四、参数计算及仿真 由题目要求 10 ln( * - C C sqrt c ( )) K   ，其中 C 为学号后三位，即 466，则有下 式： K  10 ln( * - C C sqrt c ( )) 10 ln(466 466 - 466) 122.88      而 T  rand (1)  0.7479 ； T 2 从而考虑 0 和  0.374 两种情况。 1、 0 时数字调节器 D（z）的实现 a、无控制作用下系统伯德图 此时 0 ( ) G s  122.88 s  0.7479 1 使用 MATLAB 画出其频率特性曲线图，程序如下： num=[122.88]; >> >> den=[0.7479,1]; >> w=logspace(-1,4); >> bode(num,den,w); >> grid on; >> title('系统 122.88/(0.7479s+1)的 Bode 图') BODE 图如下： 7
    0 无控制作用下系统伯德图 由上图可知，系统幅值裕度为无穷(Inf)，相角裕度为 90.5deg。相角裕度和 幅值裕度均不符合要求。需要对此进行改进。 b、最少拍下调节器函数 因为被控对象为一阶无纯滞后环节，因此可考虑使用数字 PID 算法或者最 少拍设计方法等进行控制器设计。现采用最少拍设计方法设计该对象的控制器 D(Z) ，采样时间 Ts 选择 Ts=0.374s 。 所为最少拍系统或最少调整时间系统，是指对下图所示的随动系统，在给定 某种典型输入条件下，设计一个控制规律 D（z），使闭环系统具有最快的响应速 度，也就是能在最少个采样周期时间内准确跟踪输入给定值，即达到无静差的稳 定状态。 r(t) + e(k) - u(k) ( )D z u(t) ( ) hG s 0( )G s y(t) 数字控制随动系统 8
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