計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)(溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)).doc

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內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)說明書 題 目 溫 度 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 院 電 力 學(xué) 院 系 別 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 自 動(dòng) 化 班 級 指 導(dǎo) 教 師 二 一年一月十四日 學(xué)校代碼 10128 學(xué) 號 200710202074 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 課程名稱 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 學(xué)院 電力學(xué)院 班級 自動(dòng)化07 3班 學(xué)生姓名 石鑫 學(xué)號 200710202074 指導(dǎo)教師 劉磊 李志明 一 題目 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 二 目的與意義 通過本設(shè)計(jì) 學(xué)生可以加深對溫度控制這一過程系統(tǒng)建模 仿真 分析 控制策略設(shè)計(jì)及 實(shí)現(xiàn)的理解 熟悉過程對象的控制特性 較好地掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型分析方法 基本設(shè) 計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)方法 提高觀察 分析和解決問題的能力 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度 獲得科學(xué)研究 的初步技能 三 要求 包括原始數(shù)據(jù) 技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)要求 圖紙量 工作量要求等 技術(shù)參數(shù) 數(shù)據(jù)采集卡 中泰 PCI 8333 固態(tài)繼電器 過零型 輸入 DC 3 24V 輸出 AC 24 240V 最大工作電流 25A 測溫元件 熱電偶分度號 K 熱電阻分度號 Pt100 溫度變送器輸出信號 4 20 mA 電水壺 材質(zhì) 不銹鋼 額定電壓 AC 220V 額定功率 1500W 容積 6L 周長 73cm 高 20cm 普通示波器 數(shù)字萬用表 內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)水沸點(diǎn) 95 工作內(nèi)容及要求 1 利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)畫出單輸入單輸出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理圖 熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)知識分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制器 2 熟悉課設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成 認(rèn)識熟悉課設(shè)各種裝置和相關(guān)軟件 尤其熟悉被控對象水壺 閱讀設(shè)計(jì)中用到的實(shí)驗(yàn)裝置 的使用說明書 沒有說明書的自己上網(wǎng)查找 推薦百度文庫 熟悉力控軟件 3 根據(jù)上兩步畫出本課設(shè)中所涉及的單輸入單輸出溫度控制系統(tǒng)控制框圖 4 溫控對象的數(shù)學(xué)建模 熟悉兩種建模理論 實(shí)際課程沒有講解 但課本中間接提到 具體理論推薦百度文庫查 找 機(jī)理建模 測試建模 掌握測試建模的方法 確定被控對象水壺的數(shù)學(xué)模型傳函中的參數(shù) 5 根據(jù)控制要求 性能指標(biāo) 和控制對象模型確定控制方案和控制策略及仿真 首先確定溫度控制系統(tǒng)的控制方案 利用自動(dòng)控制原理確定控制策略 利用 MATLAB 編 程計(jì)算確定控制器具體傳函 同時(shí)利用 MATLAB 進(jìn)行仿真研究 看是否達(dá)到控制要求 不滿足重 復(fù)第五步 6 控制實(shí)現(xiàn) 結(jié)合本課程設(shè)計(jì) 利用熱工測量儀表知識 熟悉傳感器的選型 利用微機(jī)原理和總線接 口知識 熟悉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 A D 和 D A 以及接口芯片的選型 利用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子 技術(shù)以及電路知識 熟悉輔助電路設(shè)計(jì) 例如一些濾波 放大電路 利用自動(dòng)控制原理離散系 統(tǒng)知識熟悉控制器算法的實(shí)現(xiàn) 利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言熟悉采集卡的驅(qū)動(dòng)工作 利用電傳動(dòng) 理論 溫度課程設(shè)計(jì)中沒有涉及到 和 PLC 軟繼電器和硬繼電器相關(guān)知識熟悉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型 溫度課設(shè)中使用 7 系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試 用萬用表和示波器一步一步檢查物理連接 看看每一步連接輸出信號是否正確可靠 理 論控制器參數(shù)通過仿真是否整定合理 開始調(diào)試系統(tǒng) 根據(jù)實(shí)際控制效果 重新調(diào)整控制器參 數(shù) 看是否能達(dá)到控制要求 8 若沒有結(jié)果或達(dá)不到控制要求 認(rèn)真檢查系統(tǒng)構(gòu)建的物理連接 改變控制策略 改進(jìn)控制算法 實(shí)際都是力控中實(shí)現(xiàn) 修改模型 重復(fù)以上 4 7 步驟 技術(shù)要求 電水壺內(nèi)熱水溫度控制在60 100 之間的任一溫度 設(shè)計(jì)成果要求 所設(shè)計(jì)控制策略的仿真程序 實(shí)物控制 實(shí)現(xiàn)電水壺內(nèi)熱水溫度在 60 100 之間的任一溫度的定值控制 控制策略的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)程序 要求利用組態(tài)軟件畫出工藝流程圖 趨勢曲線等 按統(tǒng)一規(guī)范格式 撰寫課程設(shè)計(jì)說明書 四 工作內(nèi)容 進(jìn)度安排 2011 1 4 2011 1 6 上午 熟悉系統(tǒng)構(gòu)成 查資料 閱讀整理資料 要求有讀書筆記 2011 1 7 控制對象的數(shù)學(xué)建模 2011 1 10 2011 1 11 控制策略設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn) 仿真 2011 1 12 系統(tǒng)組成 調(diào)試 2011 1 13 2011 1 14 分析總結(jié)本次課程設(shè)計(jì) 提出進(jìn)一步改進(jìn)建議 認(rèn)真詳細(xì)撰寫課 程設(shè)計(jì)說明書 上交仿真程序 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)程序 課程設(shè)計(jì)說 明書 驗(yàn)收實(shí)物控制效果 答辯 五 主要參考文獻(xiàn) 1 張計(jì)科 王志和 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 呼和浩特 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 2005 2 方康玲主編 過程控制系統(tǒng) 武漢 武漢理工大學(xué)出版社 2002 3 金以慧 過程控制 北京 清華大學(xué)出版社 1993 4 胡壽松 自動(dòng)控制原理 第四版 北京 科學(xué)出版社 2001 審核意見 系 教研室 主任 簽字 指導(dǎo)教師下達(dá)時(shí)間 2011 年 1月 4 日 指導(dǎo)教師簽字 摘 要 溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其廣泛的應(yīng)用 溫度控制系統(tǒng)的對象存在滯后 它對階躍信號的響應(yīng)會(huì)推遲一些時(shí)間 對自動(dòng)控制產(chǎn) 生不利的影響 因此對溫度準(zhǔn)確的測量和有效的控制是此類工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要指 標(biāo) 溫度是一個(gè)重要的物理量 也是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要工藝參數(shù)之一 物體的許 多性質(zhì)和特性都與溫度有關(guān) 很多重要的過程只有在一定溫度范圍內(nèi)才能有效的進(jìn)行 因此 對溫度的精確測量和可靠控制 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中就具有很重要的意義 本文闡述了過程控制系統(tǒng)的概念 介紹了一種溫度控制系統(tǒng)建模與控制 以電熱 水壺為被控對象 通過實(shí)驗(yàn)的方法建立溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 采用了PID算法進(jìn)行 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 達(dá)到了比較好的控制目的 關(guān)鍵詞 溫度控制 建模 自動(dòng)控制 過程控制 PID Abstract In industrial production with extremely extensive application temperature control system is a typical process control system Temperature control system has the larger inertia It is the response signal to step off some of time And it produces the adverse effect to the temperature measurement The control system is the important industrial control index Temperature is an important parameters in the process of industrial production Also it is one of the main parameters of objects many properties and characteristics of temperature many important process only under certain temperature range can efficiently work Therefore the precise measurement of temperature control reliable industrial production and scientific research has very important significance This paper discusses the concept of process control system and introduces a kind of temperature control system The electric kettle is the controlled object PID algorithm is used for system design through experience method to get the model of temperature control system and we can get the controlied response well Keywords Temperature control Mathematical modeling Automatic control Process control PID 目錄 第一章 概述 1 1 1 題目背景及應(yīng)用意義 1 1 2 本文內(nèi)容及工作安排 1 第二章 系統(tǒng)組成及被控對象分析 被控對象數(shù)學(xué)建模 3 2 1 系統(tǒng)組成 3 2 1 被控對象分析 被控對象數(shù)學(xué)建模 5 第三章 控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究 11 3 1 控制策略設(shè)計(jì) 11 3 2 仿真研究 15 第四章 控制策略實(shí)現(xiàn) 18 4 1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實(shí)現(xiàn) 18 4 2 力控軟件 18 4 3 運(yùn)行結(jié)果分析 20 第五章 總結(jié) 22 參考文獻(xiàn) 23 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 概述 1 1 題目背景及應(yīng)用意義 在近四十年的時(shí)間里 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管 晶體管 中小規(guī)模 集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個(gè)階段 尤其是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛躍發(fā)展 七十年代初誕生了一代新型的電子計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī) 使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益廣 泛 目前 計(jì)算機(jī)應(yīng)用已滲透到各行各業(yè) 達(dá)到了前所未有的普及程度 一個(gè)由計(jì) 算機(jī)技術(shù)為標(biāo)志 包括新材料 宇航 生物工程 海洋工程等多種學(xué)科在內(nèi)的新技 術(shù)革命正在興起 伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)技術(shù)有了更高的飛躍 我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用 計(jì)算機(jī)和溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測 而且我們可以很容易地做到實(shí)時(shí)溫度檢 測和控制 溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一 特別是在冶金 化工 建材 食品 機(jī)械等工業(yè)中 具有舉足重輕的作用 因此 溫度控制系統(tǒng)是典型的控制系統(tǒng) 對于 不同場所 不同工藝 所需溫度高低 范圍不同 精度不同 則采用的測溫元件 測 溫方法以及對溫度的控制方法也將不同 產(chǎn)品工藝不同 控制溫度的精度不同 時(shí) 效不同 則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同 因而 對溫度的測控方法 多種多樣 不同的應(yīng)用部門對溫度控制系統(tǒng)品質(zhì)有不同的要求 并選用不同類型的調(diào)節(jié)器 如果精度要求不高 可采用兩位調(diào)節(jié)器 一般情況下多采用PID調(diào)節(jié)器 高精度溫度 控制系統(tǒng)則常采用串級控制 串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路兩個(gè)回路構(gòu)成 具有 控制精度高 抗干擾性好 響應(yīng)快 動(dòng)態(tài)偏差小等優(yōu)點(diǎn) 常用于干擾強(qiáng)且溫度要求 精確的生產(chǎn)過程 如化工生產(chǎn)中反應(yīng)器的溫度控制 1 2 本文內(nèi)容及工作安排 1 系統(tǒng)組成分析 認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)中用到的實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用說明書 分析溫度控制系統(tǒng)的組成 工 作原理 特性參數(shù) 2 控制方案制定 制定溫度控制系統(tǒng)的控制方案 包括采用何種控制策略控制 使用何種軟件環(huán) 境實(shí)現(xiàn) 計(jì)劃達(dá)到何種控制效果 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 2 3 溫控對象的數(shù)學(xué)建模 建立電熱水壺的數(shù)學(xué)模型 4 控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究 設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的控制策略 并在Matlab Simulink 環(huán)境下仿真研究 得到較 為滿意的結(jié)果 5 控制策略實(shí)現(xiàn) 將設(shè)計(jì)的控制策略在組態(tài)軟件下實(shí)現(xiàn) 同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制 過程動(dòng)畫組態(tài)等功能 課程說明書分五章對本次課設(shè)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)闡述 第一章簡略描述了本次課設(shè) 內(nèi)容 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 知識背景及應(yīng)用意義 并對本次課設(shè)的工作內(nèi) 容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹 第二章介紹了系統(tǒng)的基本組成以及被控對象的數(shù)學(xué)建模過程 第三章主要闡述設(shè)計(jì)控制策略或控制算法的全過程 闡述設(shè)計(jì)控制策略或控制算法 設(shè)計(jì)好后 在Matlab Simulink環(huán)境下仿真模型建立 從仿真結(jié)果分析控制策略的性 能 仿真中反映的一些問題及解決措施等主要內(nèi)容 第四章主要講述仿真驗(yàn)證后的 控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實(shí)現(xiàn)過程 對控制策略或控制算法在 力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實(shí)現(xiàn)后 進(jìn)行實(shí)物控制的結(jié)果分析 第五章對課設(shè)全過程進(jìn) 行總結(jié)和分析 進(jìn)行梳理和整合 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 3 第二章 被控對象數(shù)學(xué)建模 2 1 系統(tǒng)組成 溫度控制系統(tǒng)的組成部件 電熱水壺 充當(dāng)被控對象 熱電偶 完成壺內(nèi) 溫度測試 固態(tài)繼電器 通過計(jì)算機(jī)輸出的控制信號使其通斷 進(jìn)而使整個(gè)加熱 系統(tǒng)工作或者停止 Pci8333板卡及計(jì)算機(jī) 整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分完成模數(shù)轉(zhuǎn) 換及PID 控制等 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖2 1所示 圖2 1 實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖 1 電熱水壺 額定電壓 220V 額定功率 1500W 工作頻率 50Hz 直徑 24CM 容量 5L 2 熱電偶 熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)制成的一種測溫元件 它結(jié)構(gòu)簡單 堅(jiān)固耐用 使用方 便 是應(yīng)用很廣泛的一種測溫元件 熱電偶由兩種不同成份的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接形成 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 4 回路 直接測溫的一端叫工作端 另一端溫度保持一定叫冷端 亦稱參考端 因?yàn)?兩種不同金屬的自由電子密度不同 當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)在兩種金屬的交界處 就會(huì) 因電子密度不同而產(chǎn)生電子擴(kuò)散 擴(kuò)散結(jié)果在兩金屬接觸面兩側(cè)形成靜電場即接觸 電勢差 這種接觸電勢差僅與兩金屬的材料和接觸點(diǎn)的溫度有關(guān) 和熱電極的長度 直徑無關(guān) 溫度愈高 金屬中自由電子就越活躍 致使接觸處所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度增 加 接觸面電動(dòng)勢也相應(yīng)增高 熱電偶的熱電動(dòng)勢將隨著測量端溫升增大 熱電偶 產(chǎn)生的溫差電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢造成的 熱電偶原 理圖如圖2 2 所示 圖2 2 熱電偶原理圖 本設(shè)計(jì)采用WRNK 191 型號的熱電偶 分度號為 K 其中各字母和數(shù)字分別代表 W代表溫度儀表 R代表熱電偶 N代表測溫元件材料 即鎳鉻 鎳硅 K代表鎧裝式 1代表安裝固定形式無固定裝置 9代表自由端帶補(bǔ)償導(dǎo)線 1代表工作端形式為絕緣 式 在本設(shè)計(jì)中由于采用TC001溫度控制單元作為變送器 因?yàn)闇囟瓤刂茊卧旧?已經(jīng)集成了冷端補(bǔ)償器 所以無須再額外增加補(bǔ)償線路 3 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器 Solid State Relays 縮寫SSR 是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān) 由分立元器件 膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片 采用混合工藝組裝來實(shí)現(xiàn)控制回路與負(fù)載回路的電隔離及 信號耦合 由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能 內(nèi)部無任何可動(dòng)部件 雖然固態(tài) 繼電器型號規(guī)格很多 但它們的工作原理基本相似 主要由輸入電路 驅(qū)動(dòng)電路和 輸出電路三部分組成 4 中泰PCI 8333 PCI 8333 多功能模入模出接口卡適用于提供了PCI 總線插槽的PC系列微機(jī) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 5 具有即插即用 PnP 的功能 其操作系統(tǒng)可選用目前流行的 Windows 系列 高穩(wěn) 定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境 在 硬件的安裝上也非常簡單 使用時(shí)只需將接口卡插入機(jī)內(nèi)任何一個(gè)PCI總線插槽中并 用螺絲固定 信號電纜從機(jī)箱外部直接接入 PCI 8333 多功能模入模出接口卡安裝使用方便 程序編制簡單 其模入模出及 I O信號均由卡上的37芯D 型插頭與外部信號源及設(shè)備連接 對于模入部分 用戶可 根據(jù)實(shí)際需要選擇單端或雙端輸入方式 對于模出部分 用戶可根據(jù)控制對象的需 要選擇電壓或電流輸出方式以及不同的量程 本卡上的A D D A 轉(zhuǎn)換均為12位 同時(shí)還備有16路數(shù)字量輸入和16 路數(shù)字量輸出接口 三路16位字長的計(jì)數(shù) 定時(shí)器 以及1Mhz 的基準(zhǔn)時(shí)鐘 本卡的A D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式可以選用程序觸發(fā) 定時(shí)器自動(dòng) 觸發(fā) 外同步觸發(fā)等方式 轉(zhuǎn)換狀態(tài)可以用程序查詢 也可以用中斷方式通知CPU讀 取轉(zhuǎn)換結(jié)果 2 2 被控對象分析 被控對象數(shù)學(xué)建模 1 過程控制系統(tǒng)建模方法 在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中 首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量 或變量 之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式 在靜態(tài)條件下 描述 變量之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方 程叫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要工作 建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有機(jī)理建模法和測試建模法 1 機(jī)理建模法 對系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析 根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律 或化學(xué)規(guī)律分別列寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程 例如 基爾霍夫定律 牛頓定律 熱力學(xué)定 律等 2 測試建模法 人為的給系統(tǒng)施加某種測試信號 記錄其輸出響應(yīng) 并用適當(dāng)?shù)?數(shù)學(xué)模型區(qū)逼近 2 系統(tǒng)機(jī)理建模 本系統(tǒng)的被控對象是電熱水壺 通過對其加熱過程中熱量這一物理量的變化和 轉(zhuǎn)移過程 確定其模型 由熱力學(xué)第一定律得 2 1 iorW 式中 電熱水壺吸收的熱量 i 電熱水壺散發(fā)的熱量 o 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 6 給電熱水壺加熱的總能量rW 根據(jù)熱力學(xué)知識 有下列關(guān)系 2 2 Tit dC 2 3 oTk 2 4 rdWUIt 式中 水的比熱容 C 水的升溫 T 電源電壓 U k 水壺散熱系數(shù) 流過電熱水壺電流 I 總的導(dǎo)通時(shí)間dt 聯(lián)立 2 1 2 2 2 3 和 2 4 得 2 5 TdTtCUItk 對 2 5 進(jìn)行拉氏變換 得 2 6 sItsk 整理得傳遞函數(shù) 2 7 1UITsIkGCst 假設(shè) UIKk Ck 整理 2 7 得 2 8 1 KGsT 考慮電熱水壺本身固有的延遲時(shí)間 得被控對象的傳遞函數(shù) 2 9 1 se 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 7 3 系統(tǒng)測試建模 階躍響應(yīng)與脈沖響應(yīng)關(guān)系 2 10 2 11 y t 為階躍響應(yīng) g t 為脈沖響應(yīng) 首先將 y t 轉(zhuǎn)化為無量綱形式 y t 即 y t 2 12 其中 y 是 y t 的穩(wěn)態(tài)值 此時(shí)有 K 2 13 其中 u 為階躍輸入的幅值 y t 2 14 為了確定 T 和 選擇兩個(gè)時(shí)刻 和 和 y t 的坐標(biāo)值 其中 y 2 15 y 2 16 對上述兩式的兩端取自然對數(shù) 有 2 17 2 18 聯(lián)立求解 可得 T 2 19 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 8 2 20 若選擇 y 0 39 y 0 63 則可得 T 2 2 21 2 2 22 有上述兩式可以方便的求出時(shí)間常數(shù) T 和 被控對象的數(shù)學(xué)模型為 G s 2 23 其中 是延遲時(shí)間為的純滯后環(huán)節(jié) 4 數(shù)據(jù)采集 首先 在組態(tài)軟件力控 5 0 中 產(chǎn)生 PWM 脈沖波形克服水溫?zé)釕T性 將系統(tǒng) 接成開環(huán) 即不在計(jì)算機(jī)中設(shè)定穩(wěn)態(tài)溫度 當(dāng)溫度升高到 87 度時(shí) 斷開電源 從初 始溫度一直到最后溫度回落到初始值過程中每隔一度記錄一組數(shù)據(jù) 所得數(shù)據(jù)如表 2 1 所示 表 2 1 5 建立模型 在力控組態(tài)環(huán)境下設(shè)定一個(gè)周期性的脈沖信號使固態(tài)繼電器周期性通斷 給電 水壺加熱 如圖 2 3 所示 溫度 時(shí) 間 S 溫度 時(shí) 間 S 溫度 時(shí) 間 S 溫度 時(shí) 間 S 溫度 時(shí) 間 S 10 0 37 2700 32 5400 27 8400 23 11100 14 300 36 3000 31 5700 27 8700 23 11400 18 600 36 3300 31 6000 26 9000 22 11700 22 900 35 3600 30 6600 26 9300 21 12000 26 1200 35 3900 30 6900 25 9600 21 12300 30 1500 34 4200 29 7200 25 9900 20 12600 34 1800 34 4500 29 7500 25 10200 20 12900 38 2100 33 4800 28 7800 24 10500 20 13200 37 2400 32 5100 28 8100 24 10800 20 13500 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 9 圖 2 3 加入水壺的脈沖信號 跟據(jù)測試建模原理 再輸入端施加周期性時(shí)鐘脈沖激勵(lì) 得到矩形脈沖響應(yīng)曲 線 再根據(jù)階躍輸入與脈沖輸入的關(guān)系 即線性疊加定理 畫出階躍響應(yīng)曲線 從 而求出對象的數(shù)學(xué)模型 階躍響應(yīng)曲線如圖 2 4 所示 圖 2 4 階躍響應(yīng)曲線與脈沖響應(yīng)曲線 由圖 2 4 和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到 y 95 y 0 12 PWM 脈沖波形的占空比為 0 8 可以得到脈沖輸入 u 即 u 0 1 可以得到 K 83095120 首先將 y t 轉(zhuǎn)化為無量綱形式 y t 即 y t 若選擇 y 0 39 y 0 63 則可得 則有 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 10 T 2 4010 2 35 2 24 2 25 2 26 2 27 計(jì)算階躍響應(yīng)數(shù)據(jù) 并畫出其曲線 如圖 2 3 所示 求得數(shù)學(xué)模型 2 28 21 utt 11 tut 2 gytty11 gt 1sKeGsT 3580 4sse 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 11 第三章 控制策略設(shè)計(jì)及仿真研究 3 1 控制策略設(shè)計(jì) 前一章我們已經(jīng)對被控對象建立了數(shù)學(xué)模型 接下來則需對溫度對象進(jìn)行控制 算法的設(shè)計(jì) 在這里我們采用典型 I 型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)法 1 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)基本思路 作為工程設(shè)計(jì)方法 首先要使問題簡化 突出主要矛盾 簡化的基本思路是 把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分兩步 第一步 先選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 以確保系統(tǒng)穩(wěn)定 同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度 第二步 在選擇調(diào)節(jié)器參數(shù) 以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 這樣做 就把穩(wěn) 準(zhǔn) 快 抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決 第一步先解決主要矛盾 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度 然后在第二步中在進(jìn)一步滿足 其他性能指標(biāo) 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí) 只采用少量的典型系統(tǒng) 他的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān) 系都已經(jīng)事先找到 具體選擇參數(shù)時(shí)只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算一下就 可以了 2 典型系統(tǒng) 自動(dòng)控制理論已證明 0 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)是有差的 而 III 型和 III 型以上系統(tǒng) 很難穩(wěn)定的 因此 通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度 多用 I 型和 II 型系統(tǒng) 作為典型 I 型系統(tǒng) 其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 1 所示 而圖 3 2 表示的它的開環(huán)對數(shù)頻率特性 選 擇它作為典型系統(tǒng)不僅是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單 而且對數(shù)幅頻特性的中頻段為 20dB dec 的斜率穿越零分貝線 高頻段以 40dB dec 衰減 只要參數(shù)的選擇能夠保證足夠的中 頻段寬度 系統(tǒng)就一定穩(wěn)定 且有足夠的穩(wěn)定余量 要做到這一點(diǎn) 應(yīng)該滿足 3 1 3 2 1cT 3580 41sGse 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 12 3 3 相角裕度為 3 4 圖 3 1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 3 2 開環(huán)對數(shù)頻率特性 由于被控對象模型的形式為 3 5 與是可推得到 3 6 所以控制算法為 1sKGseT s 1 cKTsGs 145ctgT 1118099045ccttgT 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 13 3 7 具體推導(dǎo)從圖 3 3 中也可看到 圖 3 3 控制算法推導(dǎo)過程 所以由上面推到可知 3 8 PID 控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)中對比例參數(shù) 積分時(shí)間常數(shù) 以及微PKIT 分時(shí)間常數(shù) 這三個(gè)參數(shù)的調(diào)整 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)DT 容 它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù) 積分時(shí)間和微分時(shí)間的 大小 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多 概括起來有兩大類 一是理論計(jì)算整定法 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過理論計(jì)算確定控制 器參數(shù) 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào) 整和修改 二是工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn) 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行 在 工程實(shí)際中被廣泛采用 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法 按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控 制器參數(shù)進(jìn)行整定 但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) 都需要在實(shí)際運(yùn) 行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善 下面對本設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)進(jìn)行整定 在測試建模中得到了被控 對象的傳遞函數(shù) K 3580 41sGse 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 14 由于延遲時(shí)間相對于時(shí)間常數(shù)來說比較小 所以系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間可以忽略 故 系統(tǒng)的的傳遞函數(shù)可以簡略為 由于被控對象的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)十分靠近原點(diǎn) 使系統(tǒng)的阻尼增大 峰值時(shí)間 滯后 超調(diào)量減小 由于極點(diǎn)過于小會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性 所以我們決定將其極 點(diǎn)要控制器中的零點(diǎn)將其抵消 我們期望的系統(tǒng)的相角裕度為 50 度左右 超調(diào)量控 制在 15 左右 調(diào)節(jié)時(shí)間定為 300 秒左右 根據(jù)自控知識我們算出控制器的傳遞函 數(shù) 最終的開環(huán)傳遞函數(shù)為 3 9 0 9 3 GSs 最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖 3 4 所示 最終的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖 3 5 所示 圖 3 4 最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3580 41sGse 61041 3 SDS 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 15 圖 3 5 最終的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 3 2 仿真研究 控制算法如上節(jié)設(shè)計(jì)所示 根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制算法在 MATLAB SIMULINK 環(huán) 境下建立仿真模型 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡稱 用于算法開發(fā) 數(shù)據(jù)可視化 數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境 主要包括 MATLAB 和 SIMULINK 兩大部分 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算 繪制函數(shù)和數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)算法 創(chuàng)建用戶界面 連接其他編程語言的程序等 使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟 件 SIMULINK 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具 是一種基于 MATLAB 的 框圖設(shè)計(jì)環(huán)境 是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模 仿真和分析的一個(gè)軟件包 被廣泛應(yīng)用于線 性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中 SIMULINK 可以 用連續(xù)采樣時(shí)間 離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模 它也支持多速率 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 16 系統(tǒng) 也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率 SIMULINK 提供了一種更快 捷 直接明了的方式 而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果 所以我們采用這種 方法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真 仿真模型建立的基本步驟如下 啟動(dòng) MATLAB 在 MATLAB 的命令窗口中 輸入 SIMULINK 即打開 SIMULINK 的模塊庫 再在模塊庫中選擇所需要的模塊 如信號源庫中的 STEP 模塊 傳遞函數(shù)模塊 示波器模塊等 根據(jù)上面所得到的數(shù) 學(xué)模型按照要求把各個(gè)模塊組合起來 如圖 3 6 所示為建立好的仿真模型 其中 Transport Delay 模塊的延遲時(shí)間設(shè)置為 35 秒 圖 3 7 所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖 3 6 所示為建立好的仿真模型 圖 3 7 所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 17 根據(jù)以上的內(nèi)容得到模塊 在 matlab 中的 simulink 中建立仿真模型如圖 3 8 所 示 圖 3 8 在 matlab 中的 simulink 中建立仿真模型 從帶純滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字 PID 控制仿真曲線可以看出 其大大抑制了超調(diào) 達(dá)到 了很好的控制效果 利用文中所提的溫度控制算法 系統(tǒng)的輸出經(jīng)過短時(shí)的震蕩后 趨于穩(wěn)定在設(shè)定溫度值 達(dá)到了溫度調(diào)節(jié)的目標(biāo) 而且通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)可使得 溫度控制性能得到一定的改善 本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)只能提供較常規(guī)的開關(guān)量 溫度控制系統(tǒng)的基本性能 如能采用可調(diào)參數(shù)自適應(yīng)控制方法 有望進(jìn)一步提高系 統(tǒng)性能 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 18 第四章 控制策略實(shí)現(xiàn) 4 1 組態(tài)簡介 在工業(yè)控制等領(lǐng)域中 特別是在集控室內(nèi) 經(jīng)常可以看到電腦屏幕中各種各樣 的動(dòng)態(tài)圖形界面 我們通過這些動(dòng)態(tài)界面 利用計(jì)算機(jī)來實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù) 狀態(tài)變化 及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù) 使其能夠運(yùn)行在合理的范圍之內(nèi) 這大大簡化了工 作過程中的復(fù)雜性 也方便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題 而這些內(nèi)容就需要依靠組態(tài)軟 件的功能來予以實(shí)現(xiàn) 下面將就組態(tài)軟件的常規(guī)特點(diǎn) 功能 任務(wù) 以及本課題將 要使用的力控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)來詳細(xì)闡述力控組態(tài)軟件在溫控系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng) 用 力控軟件包括 工程管理器 人機(jī)界面 VIEW 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 DB I O 驅(qū)動(dòng)程 序 控制策略生成器以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件等 在溫控系統(tǒng)中 組態(tài)軟件的主要任務(wù)包括 1 設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)界面 這里會(huì)包括各種圖案 比如控制對象 加熱裝置 熱 電阻 開關(guān)等等 從而達(dá)到一個(gè)直觀的效果 2 利用組態(tài)軟件中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫定義溫控系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)變量 比如下載 電壓的控制量 溫度采集值 以及各種在程序腳本中要應(yīng)用到的變量等等 這些數(shù) 據(jù)參數(shù)將會(huì)通過組態(tài)軟件的 FO 接口和加熱裝置進(jìn)行連接 并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 3 組態(tài)軟件還可以提供溫度 電壓采集所需要的模塊 模塊將控制對象的溫 度參數(shù)采集 并通過 I O 接口傳送到計(jì)算機(jī)中 對于下載電壓控制量來說 正好相 反 是將手動(dòng)或者自動(dòng)操作計(jì)算出來的控制量通過相應(yīng)模塊傳遞到被控對象 進(jìn)行 有效地溫度控制 4 組態(tài)軟件還需要負(fù)責(zé)對控制器的參數(shù)整定 以便于提高溫度控制的效率 這就需要對組態(tài)軟件的控制算法進(jìn)行編程設(shè)計(jì) 以實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際意義的控制效果 5 在監(jiān)控溫度變化的過程中 還需要時(shí)刻觀察實(shí)時(shí)溫控曲線 歷史曲線以及 數(shù)據(jù)歷史報(bào)表 而力控組態(tài)軟件的一個(gè)重要任務(wù)就是通過建立一系列的曲線圖來獲 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 19 取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 有助于了解控制過程 掌握控制規(guī)律 4 2 力控軟件 在力控組志軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)的基本步驟 首先是建立數(shù)據(jù)庫點(diǎn) 參數(shù) 對點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接 其次建立窗口監(jiān)控面面 對監(jiān)控畫面里的各種圖元 對象建立動(dòng)畫連接 然后編制腳本程序 進(jìn)行分析曲線 報(bào)警 報(bào)表制作便完成了 一個(gè)簡單的組態(tài)開發(fā)過程 系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)如圖 圖 4 1 系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)上圖的設(shè)計(jì)原理 利用力控軟件開發(fā)平臺構(gòu)建溫度控制平臺 首先打開力 控軟件 新建一個(gè)應(yīng)用 如圖 4 2 所示 圖 4 2 新建應(yīng)用 進(jìn)入開發(fā)系統(tǒng)后 新建一個(gè)窗口 構(gòu)建一個(gè)溫控平臺實(shí)時(shí)溫度控制界面 如圖 溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 主控制界面 實(shí)時(shí)曲線 歷史曲線 歷史報(bào)表 溫度表設(shè)置 開關(guān)設(shè)置 電壓實(shí)時(shí)曲線 溫度實(shí)時(shí)曲線 溫度歷史曲線 電壓歷史曲線 歷史數(shù)據(jù)報(bào)表 轉(zhuǎn)換鍵設(shè)置 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 20 4 3 圖 4 3 溫控平臺實(shí)時(shí)溫度控制界面 然后定義 I O 點(diǎn) 圖 4 4 定義 I O 點(diǎn) 其中 定義 I O 連接時(shí) 本實(shí)驗(yàn)用的是中泰的板卡 PCI 8333 型號 地址選 C400 C500 之間 如下圖 圖 4 5 定義 I O 連接 設(shè)置好連接點(diǎn)后 可進(jìn)入控制策略生成器中 連接好輸入輸出 PID 控制器等 為各個(gè)器件匹配好參數(shù) 效果如下圖 圖 4 6 生成控制策略 4 3 運(yùn)行結(jié)果分析 水壺在飛升曲線法以及多年來的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 得到其數(shù)學(xué)模型為 4 1 把這個(gè)數(shù)學(xué)模型代入建立的繼電反饋實(shí)驗(yàn) 然后進(jìn)行參數(shù)配置 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到比 96013 sGse 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 21 較穩(wěn)定的狀態(tài)后加入少許冷水 以模擬外界干擾 由于加入干擾的時(shí)間和冷水量都 有差異 所以擾動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)不一致 擾動(dòng)的幅值也不一致 得到的結(jié)果如圖 4 7 所 示 圖 4 7 加入擾動(dòng)后的響應(yīng)曲線 由控制效果曲線可以得出 曲線 1 超調(diào)很小 遇到干擾后也能迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀 態(tài) 但是穩(wěn)態(tài)值略低于設(shè)定值 體現(xiàn)了跟蹤過程 IAE 值最小的目標(biāo) 曲線 2 超調(diào)相 對大些 遇到干擾后能更快地回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài) 恢復(fù)曲線的斜率比曲線 1 的高 就是 說恢復(fù)速度比曲線 1 快 體現(xiàn)了抗干擾過程 IAE 值最小的目標(biāo) 曲線 3 超調(diào)過大 遇到干擾后沒有能迅速回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài) 穩(wěn)態(tài)值和設(shè)定值的偏差達(dá)到 10 以上 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 22 第五章 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 在這次為期兩周的課程設(shè)計(jì)中 我學(xué)到了很多理論 很多方法 也讓我懂得了 很多的道理 這次的課程設(shè)計(jì)將對我以后的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 這次課程設(shè)計(jì)是對我們在這學(xué)期學(xué)到的微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的理論知識 的一個(gè)綜合測評 是對我們將理論結(jié)合時(shí)間的綜合能力的考查 是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問 題 解決問題的能力 是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑 在設(shè)計(jì)過程中我遇到了許多難以解決的問題 通過去圖書館看書 上網(wǎng)查資料 以及請教同學(xué) 努力最終一步一步得以解決 通過這次課程設(shè)計(jì) 不僅鍛煉了我的 動(dòng)手能力 更培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題 解決問題的能力 鞏固了我以前學(xué)過的專業(yè)知識 促進(jìn)了我的自學(xué)能力 通過本次設(shè)計(jì) 不僅讓我對被控對象數(shù)學(xué)建模 微機(jī)控制中 PID 控制策略 系 統(tǒng)模型的仿真和組態(tài)環(huán)境下控制策略實(shí)現(xiàn)的基本概念 基本方法有了更進(jìn)一步的認(rèn) 識 還讓我認(rèn)識到設(shè)計(jì)過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定對整個(gè)系統(tǒng)算法的控制的重要 作用 一個(gè)細(xì)小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差 可能導(dǎo)致最后的性能指標(biāo)不和標(biāo)準(zhǔn) 更重要 的是 讓我認(rèn)識到無論做任何事都離不開理論與實(shí)際的結(jié)合 只有將理論與實(shí)踐相 結(jié)合 才是做好事情的最科學(xué)的方法 最后 感謝這次課程設(shè)計(jì)中的劉磊老師 李志明老師及各位同學(xué) 正是在老師 的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的耐心幫助下 我們才能將此次任務(wù)順利完成 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 23 參考文獻(xiàn) 1 王中禮 段慧達(dá) 高玉峰 MATLAB 應(yīng)用技術(shù) 在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中 的應(yīng)用 M 北京 清華大學(xué)出版社 2007 2 謝劍英 賈青 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第三版 M 北京 國防工業(yè)出版社 2001 3 胡壽松 自動(dòng)控制原理 第四版 M 北京 科學(xué)出版社 2001 4 涂植英 過程控制系統(tǒng) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1983