计算机控制技术课程设计-炉温控制系统

    二○一三～二○一四学年第一学期  信息科学与工程学院   课程设计报告书   课程名称：    计算机控制与接口技术课程设计        班    级：          自动化0902班                学    号：          200904134064             姓    名：                                   指导教师：                                              二○一二 年 十二 月 计算机控制与接口技术课程设计1  炉温控制系统的设计一、设计任务设计一个炉温控制系统，对象的传递函数：sessG021158)(，炉子为电炉结构，单相交流220V供电。温度设定值： 室温0~100℃,可以根据要求任意调节。要求：1)画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路；2)阐述电路的工作原理； 3)采用对象为大滞后的算法，求出u(k)； 4)画出闭环数字控制的程序框图。  二、设计要求课程设计任务完成之后，每位同学必须独立书写一份课程设计报告，注意：不得抄袭他人的报告。课程设计报告的内容应包括以下五个部分： 1)设计题目和设计要求； 2)设计任务分析（包括系统设计、控制方案）； 3)详细设计：包括炉温控制系统的有关知识介绍、系统的设计分析以及改善； 4)课程设计总结：包括课程设计过程中的学习体会与收获。 三、课题分析在这里要求使用单片机系统实现对单相交流电炉温度闭环控制。温度控制带有显著的滞后性，传统的控制系统不能理想地满足控制性能指标，所以采用计算机控制技术来实现较好的控制效果。由于控制任务单一，并且需要在控制电路中用到A/D转换模块，所以这里采用STC12C2052AD系列的增加型51单片机来完成控制目标。首先需要设计硬件电路，包括51单片机的最小系统、温度采集电路、模拟的输入给定电路，实时温度数值显示电路和电炉的调温电路。还需要考虑的是单片机系统的电源供应，这里由于涉及到了交流强电系统，所以直接用220V的交流电实现直流稳压电源。接着实现软件部分，考虑到温度的大滞后环节，程序中采用大林算法。为了方便程序对算法的实现，直接采用C语言编程而计算机控制与接口技术课程设计2  没有使用汇编语言。 四、硬件初步设计硬件系统的框图如下图1所示电源电路、复位电路和起振电路和51芯片构成51单片机最小系统。使用锁存电路完成数码管的静态显示实时温度。硬件设计框图如下： 图 1系统硬件框架图  模拟量给定即为系统的输入给定，通过改变模拟量的大小，来改变温控系统的输入给定。温度采集为反馈环节，将系统的温度物理变化转化为控制器所能识别的形式。单片机作为控制器，将系统的给定和反馈进行对比，经过某种特定的算法，输出控制信号。电炉控制电路即为放大环节和执行机构，温度则是被控对象。以上这些便构成了一个完整的控制系统。直流稳压电源模块给整个系统供电，温度显示电路则显示系统的温度，也反应了系统的工作状态。五、硬件的具体实现接下来分别对系统的各个模块进行详细设计，包括各模块芯片的选型、电路原理以及原理图。完整电路图见附录Ⅰ。1)系统5V稳压电源电路任何一个电路控制系统需要一个工作电源。在本系统中，各种模块和芯片基本上都是需要5V直流供电。在这里设计一个简单的直流稳压电源。由电网供应220V交流电，经过变压器转换为7.5V交流电压。再经过二极管桥式整流电路，计算机控制与接口技术课程设计3  得到半波脉动直流，经过7805稳压电源模块和电容滤波后，得到比较稳定的5V直流电源，作为系统的工作电源。其中二极管D1起到隔离作用。如图2所示。 图 2直流稳压电源的设计2)完整的51最小系统电路一个完整的51系统除了电源部分外，还至少需要一个起振电路和一个复位电路。一般的51单片机系统接12MHz的晶振即可，配合30pF左右的电容器即可。51单片机是高电压复位，R1电阻实现引脚电位下拉，C1电容则是消除按键的抖动，S1则是复位开关。因为本系统所需要的引脚不多，所以选用20引脚的2052系列的单片机。 图 3单片机的最小系统  3)模拟量给定输入在本系统中，被控温度要求在0~100℃任意调节，在这里采用模拟量给定。0~5V则对应0~100的温度预设置。通过电位器来实现电位在0~5V的调节。通过STC12C2052单片机的AD模块将模拟信号转换成数字信号送到单片机内部处理。 图 4模拟量输入给定 12Power220VAC5V104C5100uF/16VC6Vin3Vout2GND1U57805470uF/25VC8D1IN4007D2T1220V/7.5VY112MHz22pFC122pFC2100pFC3S110KR15V5VRST1P3.0/RxD2P3.1/TxD3XTAL24XTAL15P3.2/INT06P3.3/INT17P3.4/T0/ECI8P3.5/T1/PCA1PWM19GND10PWM0/PCA0/P3.711ADC0/P1.012ADC1/P1.113ADC2/P1.214ADC3/P1.315ADC4/P1.416ADC5/P1.517ADC6/P1.618ADC7/P1.719VCC20U1STC12C2052P110k5V计算机控制与接口技术课程设计4   4)温度采集反馈电路由于使用模拟的温度传感器需要大量的放大滤波等信号调整电路，所以为了简便采用了数字量输出的温度计。DS18B20适用温度范围在-40~125℃，满足系统的0~100℃的需要。DS18B20采用一总线模式，单个IO口就可以完成对芯片的读写，外部电路亦是相对简单的，可以直接输出到51单片机。 图 5温度采集电路  5)交流电电压过零检测电路由于要涉及到可控硅的使用，需要检测交流供电电源波形中的过零时刻。这部分电路可以和直流电源电路部分通用。如图6所示，经过二极管桥式整流后，产生7.5V的脉动直流电压。三极管Q2有基极射极有0.7V压降，R6和R5分压，即当脉动直流大于1.4V时，三极管导通，单片机INT0引脚的电平则产生一个下降沿。虽然1.4V不是理想中的“过零”，但只略有延迟，在大多数场合还是够用的。 图 6交流电压过零检测  6)电炉可控硅控制电路为了能较为线性的输出控制电炉，这里采用电力电子技术中的可控硅来实现对电炉的输入功率的调节。单片机的IO口必须经过隔离，这里采用MOC3052光电隔离双向可控硅驱动器，满足了对强电弱电分离的设计要求。BCR3KM-14L是所选用的双向可控硅，电流的有效值为3A，其主要的参数能满足本设计的需求。如下图所示，在任意时刻由单片机的引脚都可以控制MOC3052，触发双向可控硅。控制思想即采用电力电子的脉宽控制。在图7中，电炉为Heater，即视为电阻GND1I/O2VDD3Q1DS18B205VR210K12Power220VACQ2S805022pFC41KR310KR45V103C710KR510KR6D2T1220V/7.5VINT0计算机控制与接口技术课程设计5  器，由外部的220V交流电驱动。这部分电路主要参考刘宁的《创意电子设计与制作》一书的彩灯控制器一章。 图 7可控硅驱动电路  7)温度数字显示电路为了有较好的显示效果，以及占用较少的单片机IO口，这里采用移位寄存器锁存电路，保证数码管在使用中，不会闪烁。74LS164需要有三个单片机引脚控制，分别为数据、时钟和清零。这里采用的是共阴极方式的数码管。为了节省空间，只设计了两个数码管，表示温度的整数位。当温度为100℃或者更高时，可显示特殊符号。 图 8数码管驱动电路  六、原始系统的理论分析本设计中，炉温控制对象的传递函数：sessG021158)(，需要采用闭环控制。由于传递函数中大延时环节，这显然是一个纯滞后对象的控制系统。对于这1246U2MOC30525V10KR7330R8330R9213Q3BCR3KM-14L100/1WR100.1uF/275VACC9116Heater12Power220VAC5VA1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U374LS164A1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U474LS164K3f9g10e1d2K8c4DP5b6a7DS1DpyRed-CCK3f9g10e1d2K8c4DP5b6a7DS2DpyRed-CC10KR1810KR1710KR1610KR1510KR1110KR1210KR1310KR1410KR2010KR2110KR2210KR2310KR2410KR2510KR2610KR27104C105V104C11计算机控制与接口技术课程设计6  类系统若不采用控制适当的控制策略，会出现严重超调、振荡甚至不稳定。 首先对系统进行简单的Simulink仿真进行分析。给定信号为1s时刻产生单位阶跃信号。在系统中，加上延时环节。当没有加入控制器时整个系统如图9所示。  图 9 Simulink系统仿真图 图10则是系统的响应输入。明显可以看出，系统极其不稳定。 图 10 系统单位阶跃响应在这种情况下，采用纯滞后的算法，大林算法往往会有比较好的控制效果。根据被控电炉对象传递函数sessG021158)(，设采样周期为T=10s，期望的闭0102030405060708090100-40-20020406080100120StepResponseTime(sec)Amplitude计算机控制与接口技术课程设计7  环传递函数的一阶惯性环节的时间常数为10s。即N=2，可以求出系统的期望的闭环脉冲传递函数 1-30.3679-10.6321z)(zz 被控对象为纯滞后的一阶惯性环节 1-30.5134-13.8928z)(zzG  因此系统的数字控制器的传递函数为 31-16321.00.3679-10.0834z-0.1624)(zzzD 即 ......0.4902z-0.0021z-0.2848z-0.7743z-0.1624)(-4-3-2-1zU 则由)(*)()(zEzDzU，使用Z反变换，解算出u(k) 4)-0.4902e(k-3)-0.0021e(k-2)-0.2848e(k-1)-0.7743e(k-0.1624e(k))(ku  七、闭环系统的程序框图当单片机的硬件和软件算法实现后，接下来是设计程序的结构来具体实现功能了。程序可以分为三部分：初始化部分及主循环、定时器中断部分和外部中断部分。1)初始化部分及主循环51单片机的时钟系统较为简单，上电即可使用。在整个系统中，需要用的底层有ADC模块处理外部模拟量给定，用DS18B20来采集环境温度，用外部中断对交流电进行过过零检测。而系统主要是工作在一个采样周期中，所以还需要周期用定时器0中断，周期处理系统的数据，包括系统的算法处理和控制量输出。可控硅的脉宽便使用定时器1来控制。如下图所示，单片机从上到下完成了初始化过程最后进入了主循环之中。本系统基本上计算都在中断中进行，由于采样周期设为10s，所以单片机有足够的计算机控制与接口技术课程设计8  时间和资源和完成控制算法。 图 11单片机初始化及主循环2)外部中断外部中断主要是检测交流电过零时刻，在检测到后，开启定时器1，并且导通可控硅，其执行频率大约是100Hz。虽然检测到的零点略有延迟，不过对系统影响不会很大，只是不能100%最大功率输出。外部中断开始打开定时器1并装载可控硅开始导通中断结束 图 12外部中断处理过程  3)定时器中断在这里用到定时器0和1两个。定时器0的中断作为系统的工作节拍，每10s执行一次。定时器1则是对可控硅的控制信号的脉宽进行调节。虽然51单片机计算机控制与接口技术课程设计9  的定时器不能直接定时到10s，最大只能定时65ms左右，可以通过软件辅助，加上标志位，也可以实