计算机控制技术课程设计指导书

计算机控制技术课程设计指导书编写：于蕾信电学院2013年6月18日《计算机控制技术》课程设计指导书一、课程设计目的：本课程设计是《计算机控制技术》的后续课程，它是结合《计算机控制技术》课程知识对所学专业知识的一次较为广泛的综合训练课程；是完成教学计划达到教学目标的重要环节。通过课程设计使学生掌握系统建模、控制器设计、稳定性分析、时域响应分析等，并通过设计相关硬件电路，编写程序实现计算机控制，来提高学生对所学知识的综合运用能力。二、课程设计题目：题目1：储水罐液位控制系统设计题目2：直流电机调速控制系统设计题目3：电烤箱温度控制系统设计题目4：静态称重测控系统设计题目5：数字位置随动控制系统设计题目6：阀门定位控制系统设计三、课程设计内容：本课程设计主要包括以下六个方面内容：1)控制系统工作原理说明；2)系统建模与总体控制方案设计；3)传感器与执行机构选型设计；4)控制器设计；5)硬件电路设计；6)软件设计；四、时间安排：课程设计安排两周时间。序号任务时间（天）1布置设计题目、明确设计要求1天2查阅文献，根据设计任务和要求进行调研并设计总体方案，论证方案可行性。指导老师审核。2天3完成系统分析并进行概要设计和详细设计、计算。5天4按要求撰写课程设计论文，提交相关文档。2天五、分组安排：由指导教师安排分组。六、设计报告的撰写：学生所撰写的设计报告应符合以下三个方面的要求：1)设计报告的撰写应使用指定的格式，详细要求参见模板；2)设计报告要涵盖课程设计内容；3)控制方案设计要有不同方案的比较，控制器的设计与实现要有详细地计算说明及实现过程描述，硬件电路设计要有元器件型号选择及数值计算说明，无需计算的要说明原因，软件部分给出流程图并作详细说明，完整的电路图及编写的程序以附录形式附后。七、主要参考资料：[1]D.Ibrahim.MicrocontrollerBasedAppliedDigitalControl[M]．JohnWiley&Sons.2006．[2]戴文进等．电机与拖动[M]．清华大学出版社,2008．[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．机械工业出版社,2011．[4]顾德英等．计算机控制技术[M]．北京邮电大学出版社,2007．[5]谢维成等．单片机原理与应用及C51程序设计[M]．清华大学出版社,2006．[6]高金源.计算机控制系统-理论、设计与实现[M].北京航空航天大学出版社，2001.[7]于海生.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007.[8]姜学军.计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社,2005.[9]范立南.单片微型计算机控制技术设计[M].北京：人民邮电出版社，2007.题目1：储水罐液位控制系统设计题目说明：被控系统为一储水罐。系统如图1所示，储水罐内为清水，下部设有出水管，流量记为Q2。储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内，流量记为Q1，清水池内的水位可视为固定值2米（即在储水罐补水过程中液位不变化）。已知储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求控制目标液位高度为1米。设计要求：1.要求控制系统调节时间ts≤2分钟，超调量≤10%。2.设计人机接口实时显示储水罐液位高度。设计指导：控制系统建模过程中，出水管流阻R的确定可使用实验法或查询文献来确定。水泵的选型要考虑调节时间的限制。传感器选型时要考虑分辨率及量程。为便于分析设计，水泵的控制量与流量Q1的关系可作适当简化。驱动电路的设计要与所选的水泵匹配。图1储水罐系统示意图清水池储水罐目标液位高度水泵2Q1Q题目2：直流电机调速控制系统设计题目说明：被控直流电机技术参数如表1所示：表1直流电机技术参数表额定功率PN额定转速弱磁转速nF电枢电流IN励磁功率PF电枢回路电阻R电枢回路电感LA磁场电感LF外接电感LH效率Eff.惯量矩GD2160V400VkWr/minr/minAWΩ(20℃)mHHmH%kg.m22.21490300017.93151.1911.2221567.80.044设计要求：1.要求电机转速控制为可调，在系统中设计转速实时显示。2.超调量≤10%。设计指导：先建立直流电机的数学模型，然后根据要求设计控制器，控制方法在满足要求的前提下要进行方案比较。电机控制模型中的相关参数可作简化，也可以查阅相关文献选取。题目3：电烤箱温度计算机控制系统设计题目说明：被控系统为电烤箱。系统如图2所示，电烤箱为一封闭长方体结构，烤箱内尺寸：0.8m×0.6m×0.4m，加热器件为一1kw（220v）电热丝。设计要求：1.当控制设定100℃时，从室温开始升温要求控制系统调节时间ts≤5分钟，超调量≤10%。2.要求控制温度范围为50～200℃连续可调。3.用数码管实时显示箱内温度。设计指导：控制系统建模过程中，相关未知参数的确定可使用实验法或查询文献来确定。传感器选型时要考虑分辨率及量程。为便于分析设计，可作适当简化。驱动电路的设计要与电热丝匹配。也可使用工程实验法来辨识系统数学模型。图2电烤箱示意图电烤箱电热丝题目4：静态称重测控系统设计题目说明：利用单片机实现静态称称重系统。静态称托盘规格为300mm×200mm，需用压力传感器来获得托盘上的被测物重量。见图4。设计要求：1.被测物测量范围为0-4000g，压力传感器数量和配置各组自行确定。2.要求最小分辨率为0.1g。3.采用数码显示器显示被测重量。设计指导：根据设计要求选择合适的A/D转换芯片和单片机规格。在选用的A/D转换芯片的基础上设计测量放大电路对传感器的输出结果进行放大。并实现键盘输入对系统参数进行设置。图4静态称重测控系统示意图托盘放大电路压力传感器单片机显示器键盘输入题目5：数字位置随动控制系统设计题目说明：利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图5。该系统是利用位置传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。设计要求：1.定位精度0.4°。2.定位过程超调量＜10%。3.输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间为250ms。。设计指导：利用单片机实现全数字位置随动系统，由键盘输入PID参数及给定值。利用功能键实现点动和自动以及复位。直流电动机实现可逆运行，并由位置传感器（如光电码盘等）检测转角信号，经频压转换电路实现位置检测。控制器参数可以用SIMULINK仿真确定，但为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，设计中可采用积分分离式PID控制算法。（注：控制算法也可以自行设计）图5全数字位置随动系统示意图手柄角度盘单片机驱动电路A/D转换位置反馈位置给定电源直流电机键盘输入题目6：阀门定位控制系统设计题目说明：利用单片机实现阀门定位的单片机控制系统，见图6，通过位置传感器检测气缸位置，再进行控制调节阀的开度。设计要求：1.要求阀开度大于90或小于10%，以及阀心被卡住时，进行报警。2.要求具有调节阀线圈的故障诊断功能3.用数码管实时阀位开度。设计指导：利用位置传感器检测位置，反馈到单片机中作为反馈模拟信号，经单片机内PID控制算法进行信号处理后输出一定宽度的脉冲来驱动调节阀并实现定位反馈控制。由键盘输入阀门的工作量特性以及阀心的最大、最小行程等参数。采用功能键实现点动和自动以及复位。定位速率由各组自行设定，即确定PID控制算法参数。图6阀门定位控制系统示意图单片机驱动电路A/D转换位置传感器气缸调节阀1调节阀1键盘输入