(整理)具有一阶纯滞后环节设计

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

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一、 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)Kes/(Ts1))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=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，θ=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。

数字量给定 控制器 光隔驱动 被控对象 输出 A/D 前置放大电路 测温元件

图1 方案总体框图

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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s/(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，θ=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=rand(1)

>> K =117.6650 T =0.0510

=0或0.0255

117.7e0.0255s117.7所以G(s)= 或

0.051s10.051s1

2.2 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铂、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、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铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200℃ 至 650℃ 的范围。本系统要求测量的范围是-50℃～200℃，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：-200℃～+850℃； 2) 允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│）， B级±（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。 .................

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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。铂热电阻的线性较好，在0~100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0~100 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℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃。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±1/2LBS 或±1LBS 3）转换速率：25us

4）模拟电压输入范围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种 5）电源电压：±15V 和 5V 6）数据输出格式：12 位/8 位

7）芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式

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图3 A/D转换器部分电路

2.4 控制器（单片机）

本系统采用ATS52足够满足系统需要，不必外接RAM、ROM及端口扩展。

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Flash存储器 3)1000次擦写周期

4)全静态操作：0Hz～33Hz 5)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

图4 单片机控制器 功能特性描述:

ATS52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ATS52为众多入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。ATS52具有以下标准功能：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，ATS52 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。

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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

图6 整机电路图

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三、数字控制器D(Z)的设计

3.1 控制器D(Z)的设计

117.7e0.0255s117.7由题有G(s)= 或

0.051s10.051s11）当=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)

由图可知系统幅值裕度太大，相角裕度>90deg，不符合设计要求。

由G(s)得：

46.256z1z1117.7Z[]= G（z）=Z[Gh(s)G0(s)]= zs(0.05s1)10.607z110.02210.607zH(z)1又H(z)= Z， D(z)==

G(z)[1H(z)]1z1由MATLAB经SIMULINK仿真得：

所得BODE图为：

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由图分析得系统相角裕度=60，幅值裕度Lg=6.06dB，故D(Z)满足设计要求。无需在添加比例调节器。

2）当=T/2时，由MATLAB经M文件编译

n1=[117.7];d1=[0.05 1];g1=tf(n1,d1);tau=0.025;[np,dp]=pade(tau,2);gp=tf(np,dp); g0=g1*gp;bode(g0);margin(g0) 得出G(s)系统波特图

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由图可知系统幅值裕度太大，相角裕度>90deg，不符合设计要求。而纯滞后=T/2，所以控制器的设计选用达林算法。算法如下：

系统广义对象G(z)Z[Gh(s)G0(s)]Kz(L1)111

11z数字控制器

(1)(11z1)D(z)K(11)[1z1(1)z(L1)]

es期望闭环传递函数H(s)（为期望闭环系统的时间常数）

s1其中：

lT（T为采样周期T=（1/2~1/10）Tm，T=0.025 ）,eT/，

1eT/1，一般地，＝（1/2~1/3）1,可以兼顾系统性能和响应的快速性。

代入计算得本系统的参数值：T＝0.025， 1＝0.05 K=117.7

＝0.025， L=θ/T=1 ＝1/2×1＝0.025

eT/0.368 1eT/10.607

所以求得：控制器

G(Z)KZ(L1)1146.256z2=

11Z110.607z1(1)(11Z1)10.607z1＝0.0137 D(Z)121(L1)10.368z0.632zk(11)[1Z(1)Z]如图所示为系统D(z)的simulink仿真图：

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所得波特图如下：

如图所示当在加上Kc=0.017，系统相角裕度=60，幅值裕度Lg=6.3dB，故D(Z)满足设计要求。

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3.2 程序流程图设计

主程序 初始化 采样值形成否？ N Y 清采样标志 计算偏差E(k) 调用达林算法 得控制量u(k)，启动D/A转换得控制信号

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T0中断

启动AD574 RETI

INT1中断

读A/D转换结果 置采样标志， 采样值形成 RETI

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第四部分 可靠性和抗干扰性的分析

由以上分析可知当设计的D(z)满足系统设计要求时，其阶跃响应波形如下：

图6 当=0时，系统阶跃响应波形

图7 当=T/2时，系统阶跃响应波形

由图可知无论是当=T/2或者0时，系统都能很好的在较短时间跟随给定值，且超调.................

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量很小。由此可知系统可靠性和抗干扰性较好。

第五部分 心得体会

此次课程设计使我了解到课本上的知识要运用到实际，我们还有很长的一段路要走，还需要不断学习了解进步，知识必须要靠实践来检验。此次课设也使我认识到了自己的一些不足的地方还需要改进，例如提高学习新知识的能力（MATLAB），合理运用整合各种不同的资料等等

参考资料：

[1] 姚俊 马松辉 《Simulink建模与仿真》 西安电子科技大学出版社

[2] 黄道平 温钢云 《计算机控制技术》 华南理工大学出版社

[3] 胡汉才 《单片机原理及其接口技术》 清华大学出版社 [4] 阎石 《数字电子技术基础》 高等教育出版社

[5] 高国燊 余文烋 彭康拥 陈来好《自动控制原理》 华南理工大学出版社

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