对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计

1目录一、设计题目及要求.......................................................................................................................2二、设计方案与结构图...................................................................................................................21、计算机控制系统结构图.....................................................................................................22、硬件结构图.........................................................................................................................3三、电路硬件设计.........................................................................................................................31、电桥电路...........................................................................................................................32、放大环节.............................................................................................................................43、滤波电路.............................................................................................................................54、A/D转换器.........................................................................................................................55、D/A转换电路....................................................................................................................6四、参数计算及仿真.......................................................................................................................71、0时数字调节器D（z）的实现.................................................................................7a、无控制作用下系统伯德图.........................................................................................7b、最少拍下调节器函数.................................................................................................8C、最少拍下系统伯德图...............................................................................................10d、单位阶跃响应下系统输出.......................................................................................11e、施加阶跃干扰信号...................................................................................................12f、施加随机信号影响....................................................................................................132、/20.374T时数字调节器D（z）的实现..........................................................15a、无控制作用下系统伯德图.......................................................................................15b、达林算法下调节器函数...........................................................................................16C、达林算法下系统伯德图（未加增益）...................................................................18d、达林算法下系统伯德图（加增益）.......................................................................19e、单位阶跃响应下系统输出.......................................................................................20f、施加阶跃干扰信号....................................................................................................21g、施加随机信号影响...................................................................................................23五、心得与体会............................................................................................................................242一、设计题目及要求1、针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()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=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0.49125、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)u(kT)u(t)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。数字控制器保持器被控过程32、硬件结构图温度输出设计方案：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：AD转换单片机DA转换温度控制被控对象温度检测信号放大信号滤波4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4ORUUR。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：102122(1)()fiiRRuuuRR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5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50~200ooCC，分辨率为0.2oC，则测量是量程为200(50)250oooCCC，再由250212500.2onoCC，可得10.29n。可取12n，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122500.062ooCC，远远满足设计要求。可采用ADC574A芯片。电路图如下：68051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，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。5、D/A转换电路由上分析，本设计需要采用12位的A/D转换器，与之相对应，可采用12位的D/A转换器DA