对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计
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针对一阶惯性加纯滞后过程的广义预测控制算法研究
- 1 - 1 n
b
是均值为零的随机噪声序列; z- 1 为后移算子 ; $ =
- 1 - 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ- 1
为 z- 1 的多项式。
f = H $u ( k) + Fy ( k)
+ + + cnc z
- 1
- n
z( G2 - z- 1 g 1 - g 0 ) s ( GP - z
- P+ 1
c
=
为了简单起见, 一般假设 C( z ) = 1 , 这样被 控对象的模型为 A( z ) y( k) = B( z ) u( k - 1) + e( k) / $ ( 1) 引入 Diophant ine 方程 1 = A( z ) $E j ( z ) + z F j ( z ) 式中 E j ( z ) = 1 + e 1 z + + + ej- 1 z F j ( z ) = f j , 0 + f j, 1 z + + + f
JWS- 6/ 3- 4 型过程控制装置为对象 , 以液位为被控变量 , 实现了单步预测控制。实验表明系统控制精度高, 取得了实际误差小 于 5 mm 的控制效果 , 运行稳定 , 具有一定的实用性和推广性。
关键词 : 广义预测控制 ; 可编程控制器 ; 液位控制 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 7324( 2007) 05- 0040- 04
( 5)
用 E j ( z ) $ 乘以式( 1) , 结合式 ( 2) 化简得 y( k + j ) = F j ( z- 1 ) y( k) + E j ( z - 1 ) B( z- 1 ) $u( k+ j - 1) + E j ( z- 1 ) e( k+ j ) 因此 , E j ( z - 1 ) e( k+ j ) 为从 k 时刻计起的未 来噪声 , 忽略未来噪声的影响, 可以得到以 k 为基 点的未来 j 步的最优输出预测值为 y p ( k+ j ) = F j ( z ) y( k) + Gj ( z ) $u ( k+ j - 1) ( j = 1, + , P ) 式中 Gj ( z ) = E j ( z ) B( z ) = B( z- 1 ) - j - 1 [ 1- z F j ( z ) ] = A( z - 1 ) $ g j, 0 + g j, 1 z- 1 + + + g j ,
b
是均值为零的随机噪声序列; z- 1 为后移算子 ; $ =
- 1 - 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ- 1
为 z- 1 的多项式。
f = H $u ( k) + Fy ( k)
+ + + cnc z
- 1
- n
z( G2 - z- 1 g 1 - g 0 ) s ( GP - z
- P+ 1
c
=
为了简单起见, 一般假设 C( z ) = 1 , 这样被 控对象的模型为 A( z ) y( k) = B( z ) u( k - 1) + e( k) / $ ( 1) 引入 Diophant ine 方程 1 = A( z ) $E j ( z ) + z F j ( z ) 式中 E j ( z ) = 1 + e 1 z + + + ej- 1 z F j ( z ) = f j , 0 + f j, 1 z + + + f
JWS- 6/ 3- 4 型过程控制装置为对象 , 以液位为被控变量 , 实现了单步预测控制。实验表明系统控制精度高, 取得了实际误差小 于 5 mm 的控制效果 , 运行稳定 , 具有一定的实用性和推广性。
关键词 : 广义预测控制 ; 可编程控制器 ; 液位控制 中图分类号 : T P273 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 7324( 2007) 05- 0040- 04
( 5)
用 E j ( z ) $ 乘以式( 1) , 结合式 ( 2) 化简得 y( k + j ) = F j ( z- 1 ) y( k) + E j ( z - 1 ) B( z- 1 ) $u( k+ j - 1) + E j ( z- 1 ) e( k+ j ) 因此 , E j ( z - 1 ) e( k+ j ) 为从 k 时刻计起的未 来噪声 , 忽略未来噪声的影响, 可以得到以 k 为基 点的未来 j 步的最优输出预测值为 y p ( k+ j ) = F j ( z ) y( k) + Gj ( z ) $u ( k+ j - 1) ( j = 1, + , P ) 式中 Gj ( z ) = E j ( z ) B( z ) = B( z- 1 ) - j - 1 [ 1- z F j ( z ) ] = A( z - 1 ) $ g j, 0 + g j, 1 z- 1 + + + g j ,
具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计介绍
第四部分 整机电路图............................................... 23 第五部分 安装调试及性能检测........................................ 24
5.1 系统仿真 ................................................... 24 5.2 抗干扰性能分析.............................................. 25 5.3 元件清单 ................................................... 27 第六部分 心得体会 ................................................. 28 参考文献.......................................................... 29 附程序 ........................................................... 30
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
第三部分 电路设计 ................................................. 19 3.1 器件选型 ................................................... 19 3.1.1 控制芯片的选择 ........................................ 19 3.1.3 A/D 转换器的选择....................................... 19 3.1.4 D/A 转换器的选择....................................... 20 3.2 温度检测电路与整形放大滤波电路 ............................... 20 3.3 A/D 转换电路 ............................................... 21 3.4 D/A 转换电路 ............................................... 21 3.5 数码管显示电路.............................................. 22
5.1 系统仿真 ................................................... 24 5.2 抗干扰性能分析.............................................. 25 5.3 元件清单 ................................................... 27 第六部分 心得体会 ................................................. 28 参考文献.......................................................... 29 附程序 ........................................................... 30
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
第三部分 电路设计 ................................................. 19 3.1 器件选型 ................................................... 19 3.1.1 控制芯片的选择 ........................................ 19 3.1.3 A/D 转换器的选择....................................... 19 3.1.4 D/A 转换器的选择....................................... 20 3.2 温度检测电路与整形放大滤波电路 ............................... 20 3.3 A/D 转换电路 ............................................... 21 3.4 D/A 转换电路 ............................................... 21 3.5 数码管显示电路.............................................. 22
变频恒压供水系统PID控制器的参数整定
变频恒压供水系统PID控制器的参数整定林惠标【摘要】为了设计控制性能更好的变频恒压供水系统，分析并建立具有纯时滞一阶惯性环节的系统数学模型；使用MATLAB/Simulink PID整定工具求解变频恒压供水系统PID控制器的参数整定问题，优化设计变频恒压供水系统的PID控制器，这种方法不仅起到优化设计变频恒压供水系统的目的，而且自动化设计程度更高，很大程度上减少了控制器设计的工作量。
%In order to design a water supply system with stability and reliability, A frequency-conversion speed-regulation constant pressure water supply system is studied and analyzed in this paper.A mathematical model of system is established to obtain a pure hysteresis and one order inertia model. MATLAB/Simulink PID tuning tool is launched to achievePID parameters forfrequency-conversion speed-regulation constant pressure water supply system. The method can not only optimize the design of a reliability and stability system, but also reduce the workload of controller designed.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P36-39)【关键词】PID参数整定;变频调速;优化设计【作者】林惠标【作者单位】汕头职业技术学院机电工程系，广东汕头 515078【正文语种】中文【中图分类】TP29*汕头职业技术学院科研课题（编号：SZK2012C01）经济社会的迅速发展，人们开始提倡低碳经济发展，对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；节能要求越来越高。
一阶惯性加纯滞后过程的分数阶PID的脆弱性剖析
一阶惯性加纯滞后过程的分数阶PID的脆弱性摘要本文对在一阶惯性加纯滞后模型采用的分数阶PID控制器进行了分析。
尤其是对控制器参数对已获得控制系统的鲁棒性和性能的影响的研究。
结果表明，这种控制器跟标准PID控制器比起来更加脆弱，因此用户在整定的时候需要格外的慎重。
关键词：分数阶控制器，PID控制，整定，脆弱性1 引言众所周知，一个合理的控制系统必须同时兼顾性能和鲁棒性。
然而，也应该认识到另外很重要的一点那就是控制器参数变化对脆弱性的影响，也就是说，控制器参数改变会影响控制系统的鲁棒性和性能的敏感程度。
这个问题已经在其他文章中提及（见，例,[1]）,尤其在[2]强调基于的最小化设计技术，和规范服从于高阶的健壮性（yield to high-order robust），最优的但极其脆弱的控制器，换言之，控制器系数非常小的变化会导致不稳定的系统。
然而，在[3,4]中指出，这个问题可以通过采用合适的控制器参数来解决。
就如在工业界使用最广的整数阶PID，这类控制器的脆弱性已经被解决。
其中，为了是控制器参数向量在给定的范围内的稳定域最大化，作者建议调整整数阶PID控制器的参数。
然而典型的工业性能的测量（关系到对设定值的跟踪和对负载干扰的抑制任务）并不考虑。
并且，在图[7]中显示，这种办法已经被应用到一阶惯性加纯滞后模型，产生了与采用Ziegler-Nichols阶跃响应方法相似的调谐，从各方面看都是有改善的。
因此，在文献中已被公认，研究整数阶PID的一个主要原因就是让使用者明白怎样调整好控制器[10,11,12]。
换句话说，整数阶PID的参数有明确的物理含义，操作者可以通过修改它们来改变控制系统的性能。
在文中，当参数微调对评估鲁棒性和性能的敏感性很有用。
为此，引入了一个叫做脆弱性环的图形化工具，它可以对评估控制器的鲁棒性/脆弱性提供了一种可视化帮助。
近年来，一些学术和工业界团体对分数阶PID控制器很感兴趣，因为他们在控制系统设计中能够更灵活（仅有5个参数需要整定）（见，例[14]-[17]）。
计算机控制课程设计――大纯时延一阶惯性环节温度控制系统.
目录一课程设计内容任务 (3)二对课设任务的解读 (3)三系统结构模型框图 (3)四各部分程序流程图 (4)五数字控制器设计 (5)六系统仿真 (6)七抗干扰性分析 (11)八硬件设计 (13)九系统设计硬件元素选型 (14)十心得体会.............................................................................. 16 十一参考文献 (16)附硬件设计图一、课程设计内容任务1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节 (G(s=K*e-θs/(Ts+1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;K=10*log(C*C-sqrt(C,rand(‘state’,C,T=rand(1, θ=0或 T/2, C 为学号的后 3位数,如:C=325, K=115.7, T=0.9824, θ=0或 0.4912;5、进行可靠性和抗干扰性的分析;6、书写设计体会和心得。
二、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制,选取实际生活中常见的温度为控制对象;2、该任务只需要一个控制对象,进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量, 观察仿真图形和性能,故可以选取简单回路控制系统模型进行设计;3、硬件设计过程采取分步设计,由局部到整体,主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数码管显示等; 4、取θ= T/2, 大纯时延系统的控制算法有多种,根据其特定性能,本设计在 PID 算法和达林算法之间权衡之后做出选择,最终采用达林控制算法来实现系统控制,取期望闭环传递函数 H(s,求解出数字控制器 D(z及其差分方程;5、编写程序流程图,采取正确的思路和方法,包括主程序流程图、 8155初始化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等;6、仿真分析和验证过程采用 MATLAB 和 SIMULINK 实现,主要针对仿真性能调节系统参数, 并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。
第十四节 纯滞后对象的控制
1.5208 (1 0.7413 z 1 ) D( z ) (1 z 1 )(1 0.3935 z 1 )
相应的闭环传函变为
D( z )G( z ) 0.2271 z 2 (1 0.733z 1 ) ( z ) 1 D( z )G( z ) 1 0.6065z 1 0.1664z 2 0.1664z 3
相应的控制量为
Φ( z ) 2.6356 (1 0.7413z 1 ) U (z) R( z ) G( z ) (1 0.6065z 1 )(1 z 1 )(1 0.733z 1 ) 2.6356 0.3484z 1 1.8096z 2 0.6078z 3 1.4093z 4 ...
可得补偿器的差分实现
p' (k ) p' (k 1) u (k 1) p ( k ) P' ( k ) p ' ( k l )
◆对带纯滞后的二阶惯性对象
Ke s G( s ) (T1 s 1)(T2 s 1)
纯滞后补偿器为
1 2 K (1 e Ts )(1 e s ) b z b z 1 1 2 D ( z ) Z ( 1 z ) 1 2 s ( T s 1 )( T s 1 ) 1 a z a z 1 2 1 2
◆振铃极点主要来源于G(z) 在负实轴或二、三象 限的零点；
◆对于一阶滞后对象，如果滞后时间为采样周期 的整数倍，离散化后不存在这样零点，故不会 产生振铃现象； ◆对二阶滞后对象和滞后时间不为采样周期整数 倍的一阶对象，离散化后则可能存在这样的零 点。
U ( z) R( z) Ku ( z)
通常用振铃幅度RA来衡量振铃强烈的程度。通常 用单位阶跃下数字控制器第0次输出量与第1次输 出量的差值来表示。 1 2
相应的闭环传函变为
D( z )G( z ) 0.2271 z 2 (1 0.733z 1 ) ( z ) 1 D( z )G( z ) 1 0.6065z 1 0.1664z 2 0.1664z 3
相应的控制量为
Φ( z ) 2.6356 (1 0.7413z 1 ) U (z) R( z ) G( z ) (1 0.6065z 1 )(1 z 1 )(1 0.733z 1 ) 2.6356 0.3484z 1 1.8096z 2 0.6078z 3 1.4093z 4 ...
可得补偿器的差分实现
p' (k ) p' (k 1) u (k 1) p ( k ) P' ( k ) p ' ( k l )
◆对带纯滞后的二阶惯性对象
Ke s G( s ) (T1 s 1)(T2 s 1)
纯滞后补偿器为
1 2 K (1 e Ts )(1 e s ) b z b z 1 1 2 D ( z ) Z ( 1 z ) 1 2 s ( T s 1 )( T s 1 ) 1 a z a z 1 2 1 2
◆振铃极点主要来源于G(z) 在负实轴或二、三象 限的零点；
◆对于一阶滞后对象，如果滞后时间为采样周期 的整数倍，离散化后不存在这样零点，故不会 产生振铃现象； ◆对二阶滞后对象和滞后时间不为采样周期整数 倍的一阶对象，离散化后则可能存在这样的零 点。
U ( z) R( z) Ku ( z)
通常用振铃幅度RA来衡量振铃强烈的程度。通常 用单位阶跃下数字控制器第0次输出量与第1次输 出量的差值来表示。 1 2
具有一阶纯滞后环节设计
目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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MA TLAB 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0.4912。
5、进行可靠性和抗干扰性的分析。
1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。
整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。
以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。
图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
计算机控制技术课程设计--具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计
《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+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 具体要求：✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）3. 软件部分：✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序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，即有延时和延时半个采样周期的情况。
(整理)具有一阶纯滞后环节设计
目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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MA TLAB 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0.4912。
5、进行可靠性和抗干扰性的分析。
1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。
整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。
以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。
图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)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0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
一种一阶延迟惯性环节温控系统优化设计方法
一种一阶延迟惯性环节温控系统优化设计方法
冯士伟;李勇;武志忠;张沛勇
【期刊名称】《空间控制技术与应用》
【年(卷),期】2015(041)002
【摘要】为提高惯性仪表的温控精度,针对纯延迟环节对温控系统稳定性的影响,提出一种一阶延迟惯性环节温控系统的优化设计方法.该方法充分利用平衡电桥消除温度跟踪误差,设计脉冲宽度调制(PWM)控制方法提高加热效率,同时基于Ziegler-Nichols整定法进行PID控制器优化设计以提高温控系统的相角裕度,使得温控系统对仪表间参数差异的适应能力大大增强.试验表明,在实验室条件下和具有强制对流环境的温度循环试验条件下仪表温控精度为0.006℃(lσ).该方法简单有效,阻容参数易于选取,能够满足温度控制的高精度要求.
【总页数】5页(P41-45)
【作者】冯士伟;李勇;武志忠;张沛勇
【作者单位】北京控制工程研究所,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190【正文语种】中文
【中图分类】U666.1
【相关文献】
1.一阶惯性环节的模糊PID自整定控制算法的设计 [J], 董春霞
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世煌
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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、
1
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：
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。
2
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。
8051与DAC1208的连接图如下所示：
四、参数计算及仿真
由题目要求 ，其中C为学号后三位，即466，则有下式：
而 ；
从而考虑 和 两种情况。
1
a
此时
使用MATLAB画出其频率特性曲线图，程序如下：
>> num=[122.88];
>> den=[0.7479,1];
>> w=logspace(-1,4);
5
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DAC1208芯片进行模/数转换。
8051的P0口作为DAC1208的地址线，P0口和P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口作为数据线，用于传送经达林算法后的运算结果。P0口经地址锁存器74373锁存，并经三-八译码器74138译码后的 信号作为DAC1208的片选信号输入。
中央民族大学信息工程学院
计算机控制技术综合设计实验报告
学生姓名：
学号：
指导教师：
实验地点：
实验名称：加热炉系统温度控制器设计
一、设计题目及要求3
二、设计方案与结构图3
1、计算机控制系统结构图3
2、硬件结构图4
三、电路硬件设计4
1、电桥电路4
2、放大环节5
3、滤波电路6
4、A/D转换器6
5、D/A转换电路7
当采用12位ADC进行模/数转换时,其分辨率为 ，远远满足设计要求。可采用ADC574A芯片。电路图如下：
8051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 信号作为AD574A的片选信号输入。
>> bode(num,den,w);
>> grid on;
>> title('系统122.88/(0.7479s+1)的Bode图')
BODE图如下：
无控制作用下系统伯德图
程序：
由上图可知，系统幅值裕度为无穷(Inf)，相角裕度为90.5deg。相角裕度和幅值裕度均不符合要求。需要对此进行改进。
四、参数计算及仿真8
1、 时数字调节器D（z）的实现8
a、无控制作用下系统伯德图8
b、最少拍下调节器函数9
C、最少拍下系统伯德图11
d、单位阶跃响应下系统输出12
e、施加阶跃干扰信号13
f、施加随机信号影响14
2、 时数字调节器D（z）的实现16
a、无控制作用下系统伯德图16
b、达林算法下调节器函数17
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 。
2
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：
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成的输入电路T1084。
3
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
根据题目要求，温度测量范围为 ，分辨率为 ，则测量是量程为 ，再由 ，可得 。可取 ，即采用12位的ADC和12位的DAC。
C、达林算法下系统伯德图（未加增益）19
d、达林算法下系统伯德图（加增益）20
e、单位阶跃响应下系统输出21
f、施加阶跃干扰信号22
g、施加随机信号影响24
五、心得与体会25
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 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0.4912
5、进行#43; 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。
三、
1
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：
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。
2
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。
8051与DAC1208的连接图如下所示：
四、参数计算及仿真
由题目要求 ，其中C为学号后三位，即466，则有下式：
而 ；
从而考虑 和 两种情况。
1
a
此时
使用MATLAB画出其频率特性曲线图，程序如下：
>> num=[122.88];
>> den=[0.7479,1];
>> w=logspace(-1,4);
5
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DAC1208芯片进行模/数转换。
8051的P0口作为DAC1208的地址线，P0口和P2.4、P2.5、P2.6、P2.7口作为数据线，用于传送经达林算法后的运算结果。P0口经地址锁存器74373锁存，并经三-八译码器74138译码后的 信号作为DAC1208的片选信号输入。
中央民族大学信息工程学院
计算机控制技术综合设计实验报告
学生姓名：
学号：
指导教师：
实验地点：
实验名称：加热炉系统温度控制器设计
一、设计题目及要求3
二、设计方案与结构图3
1、计算机控制系统结构图3
2、硬件结构图4
三、电路硬件设计4
1、电桥电路4
2、放大环节5
3、滤波电路6
4、A/D转换器6
5、D/A转换电路7
当采用12位ADC进行模/数转换时,其分辨率为 ，远远满足设计要求。可采用ADC574A芯片。电路图如下：
8051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 信号作为AD574A的片选信号输入。
>> bode(num,den,w);
>> grid on;
>> title('系统122.88/(0.7479s+1)的Bode图')
BODE图如下：
无控制作用下系统伯德图
程序：
由上图可知，系统幅值裕度为无穷(Inf)，相角裕度为90.5deg。相角裕度和幅值裕度均不符合要求。需要对此进行改进。
四、参数计算及仿真8
1、 时数字调节器D（z）的实现8
a、无控制作用下系统伯德图8
b、最少拍下调节器函数9
C、最少拍下系统伯德图11
d、单位阶跃响应下系统输出12
e、施加阶跃干扰信号13
f、施加随机信号影响14
2、 时数字调节器D（z）的实现16
a、无控制作用下系统伯德图16
b、达林算法下调节器函数17
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 。
2
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：
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成的输入电路T1084。
3
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
根据题目要求，温度测量范围为 ，分辨率为 ，则测量是量程为 ，再由 ，可得 。可取 ，即采用12位的ADC和12位的DAC。
C、达林算法下系统伯德图（未加增益）19
d、达林算法下系统伯德图（加增益）20
e、单位阶跃响应下系统输出21
f、施加阶跃干扰信号22
g、施加随机信号影响24
五、心得与体会25
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 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0.4912
5、进行#43; 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。