具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

具体内容：1）自己给出系统的闭环传递函数的表达式2）自己设定系统性能指标3）书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图4）硬件布线连接图转化为系统结构图5）选择一种控制算法6）软件工程知识编写程序流程图7）在MATLAB下进行编程和仿真，给出单位阶跃函数的输出结果表8）进行系统的可靠性和抗干扰性的分析计算机控制系统课程设计目录第一部分设计任务..................................................11.1课程设计任务题目及要求.......................................11.2课程设计任务对象与设计的分析论证..............................21.2.1控制对象的分析与说明....................................21.2.2被控对象传递函数的确定..................................21.2.3系统设计的一般步骤和要点................................3第二部分设计方案..................................................42.1设计方案分析论证.............................................42.1.1控制对象特性分析........................................42.1.2算法选择...............................................62.1.3控制器设计.............................................62.2系统方框图.................................................142.2.1控制系统结构示意图.....................................142.2.2硬件结构框图..........................................142.3程序设计流程图..............................................152.3.1主程序流程图..........................................152.3.2温度采集流程图........................................162.3.3达林算法及其控制量输出流程图............................172.4软件实现...................................................18第三部分电路设计.................................................193.1器件选型...................................................193.1.1控制芯片的选择........................................193.1.3A/D转换器的选择.......................................193.1.4D/A转换器的选择.......................................203.2温度检测电路与整形放大滤波电路...............................203.3A/D转换电路...............................................213.4D/A转换电路...............................................213.5数码管显示电路..............................................22第四部分整机电路图...............................................23第五部分安装调试及性能检测........................................245.1系统仿真...................................................245.2抗干扰性能分析..............................................255.3元件清单...................................................27第六部分心得体会.................................................28参考文献..........................................................29附程序...........................................................30第1页共36页第一部分设计任务1.1课程设计任务题目及要求题目：具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计要求：1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKeGsTs的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0.49125、进行可靠性和抗干扰性的分析。计算机控制系统课程设计第2页共36页1.2课程设计任务对象与设计的分析论证1.2.1控制对象的分析与说明由所给设计任务可知，本设计的控制对象是一个含有具有大时滞的一阶惯性环节()1sKeGsTs的系统，而在通常的温度控制系统中，控制对象往往就可以视作含有一个大纯时延时间的一阶惯性环节的系统，故本次计算机控制系统设计则可以以一个温度控制系统为例设计：加热炉温度控制系统。目的是保持被加热液体的温度与设定值尽量一致，当系统出现干扰时能够较快地恢复到设定值。1.2.2被控对象传递函数的确定根据K=10*log(C*C-sqrt(C))，rand(‘state’，C)，T=rand(1)，θ=0或T/2，C为学号后3位数的条件，加上本人的学号为201130613317，故可用MATLAB计算得：C=317C=317K=10*log(C*C-sqrt(C))K=115.1763rand('state',C)T=rand(1)T=0.8470由要求可得θ=0或0.4235(1)当无纯时延时，=0，被控对象传递函数为：10.8470s1763.115)(sG(2)当纯时延为T/2(＝0.4235)，被控对象传递函数为：10.8470s1763e.115)(-0.4235ssG针对以上两种情况，需要分别进行分析，以取得预期效果。计算机控制系统课程设计第3页共36页1.2.3系统设计的一般步骤和要点①建模：描述控制量和输出量之间的数学关系；②确定控制任务：动态和静态指标；③选择算法；①系统结构包括系统总线的选择；②内存空间分配：系统软件、应用程序、待扩充；③I/O分配：模拟/开关量I/O、待扩充；④模拟量I/O通道的配置；⑤中断、查询处理方式的确定；即组构计控系统原理描述图，包括信号流程图（接合控制对象的工艺流程）；给定量方式线路方案采样信号口地址分配内存参数区滤波环节控制量输出信号标准化算法步骤技术指标负载考虑如MOS、TTL器件逻辑电平、I/O电流、输入/输出能力，以及缓冲器的选择NY机箱设计、布线走向电路板设计端接板配置YNNY控制对象的功能和工作过程的分析调试硬件投入运行系统总体方案设计系统控制工艺流程图画应用程序流程图开关量、模拟量I/O通道设计编制源程序、调试和仿真元器件芯片选择和测试写EPPROM布线和安装系统试运行硬件有错？达到预期目的？完成控制目的？计算机控制系统课程设计第4页共36页第二部分设计方案2.1设计方案分析论证2.1.1控制对象特性分析（1）当没有纯时延时，即θ=0时，10.8470s1763.115)(sG用MATLAB绘出其波特图：程序为：num=[115.1763]den=[0.84701]g=tf(num,den);margin(g);gridon;num=115.1763den=0.84701.0000波特图为：由上图可知，系统幅值裕度为无穷(Inf)，但相角裕度为90.5deg，不满足系统要求。计算机控制系统课程设计第5页共36页（2）当θ=0.4235时，有较大纯时延，10.8470s1763e.115)(-0.4235ssG用MATLAB绘出其波特图：程序为：num=[115.1763]den=[0.84701]g=tf(num,den,'iodelay',0.4235);margin(g);gridon;num=115.1763den=0.84701.0000波特图为：由上图可知，幅值裕度为0.0801dB6dB,相角裕度为31.1deg，也不满足题目要求。故需对对象进行合理控制使其工作符合要求。综上所述，需对θ=0和θ=0.4235的情况分别进行设计。计算机控制系统课程设计第6页共36页2.1.2算法选择最小拍无纹波：即最少调整时间系统，在给定某种典型输入（如单位阶跃输入、单位速度输入或单位加速度输入）条件下，通过设计一个控制规律使得闭环系统输出具有最快的响应速度，且输出的采样点之间没有纹波。在满足系统的快速性、准确性、稳定性和可实现性条件下，设计出来的数字调节器可以实现无静差的稳定状态。但是最少拍系统存在着局限性：○1对输入信号类型的适应性差；○2对系统参数的变化敏感；○3控制作用易超出允许的控制范围。Dalin算法：在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，如在热工和化工的许多工业生产过程中，其被控对象模型的不确定性、参数随时间的漂移性和含有较大的纯滞后，如果要求控制系统在最少拍内达到稳态，则不但不能达到预期的效果，反而会引起系统产生大的超调或振荡。而事实上，对这类系统的控制要求，快速性是次要的，而主要要求系统没有超调或很少的超调。达林算法就是一种专门针对工业生产过程中含有纯滞后控制对象的直接数字设计算法。对温度控制系统的要求,主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化,超调小或者无超调,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。而Dalin算法的设计目标是对带时延的一阶或二阶惯性环节工业对象，设计一个数字调节器，使得整个闭环系统的传递函数为具有纯时延特性的一阶惯性环节，目的是使输出无超调或者超调很小。结合本次课程设计的控制对象数学模型，若其为不带延时的一阶惯性环节，则选用（1）方案，用最少拍无波纹来设计控制器；若其为带时延的一阶惯性环节，而设计目标就是无超调或者超调很小，故选用（2）方案，用Dalin算法来实现对系统的控制。2.1.3控制器设计（1）对于没有纯时延的系统，θ=0，10.8470s1763.115)(sG现采用最少拍无纹波设计方法设计该对象的控制器D(Z)，取采样周期为T=0.1T=0.08470s。设系统输入为单位阶跃输入1(t)，则系统期望闭环传递函数为：H（z）=1zG（z）=0[()()]hZGsGs=0.9048-z10.96])1