水温计算机控制系统设计+Matlab仿真.doc

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1、《计算机控制技术》设计报告题目：水温计算机控制系统姓名：张家明班级：09自动化2班学号：080312009081一﹑设计任务与要求1.基本要求1L水由1kW的电路加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持在设定的温度。2.主要性能指标(1).温度设定范围：10℃~100℃，最小分辨率为1℃。(2).控制精度：温度控制的稳态误差<0.2℃.(3).能够实时显示当前水温(4).具有通信能力，可通过RS-232串口输出当前温度值至上位机。(5).采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时减

2、小系统的调节时间和超调量。二﹑方案论证由于水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以将被控对象归于具有纯滞后的一阶惯性环节。该系统可以采用以下几种控制方案：1.输出开关量控制对于惯性较大的过程可简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数来控制输出的状态：通过控制加热回路的晶闸管的导通或关断来控制加热时间，控制过程简单易行，但容易引起反馈回路产生振荡。因此这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。2.PID控制设

3、计PID控制算法(常规PID﹑微分先行PID﹑中间反馈PID等)，对给定值与被控参数的偏差进行PID运算，输出控制量来控制加热回路。3.最小拍控制根据数字控制器的离散化设计方法，设计最小拍有波纹（或无波纹）数字控制器来控制加热回路。4.纯滞后控制技术(1).史密斯预估控制设计史密斯预估器实现对大延迟系统的控制。(2).达林控制算法通过达林算法设计数字控制器实现对水温的控制。三﹑系统设计1．硬件设计⑴给定值．控制系统框图水温-控制器电炉驱动电路温度传感器D/AA/D水温控制系统结构图⑵．系统硬件总体设计框图4x4键盘AT89C5

4、1驱动电路电炉D/A温度传感器A/DLCD1602液晶显示器水温控制系统硬件总体设计框图⑶．单元电路设计①．单片机最小系统②．温度传感器信号调理及A/D转换电路③．键盘接口电路④．LCD1602液晶显示电路⑤．驱动电路⑥．串口通信电路2．软件设计对温度采样信号进行数字滤波，可采用如下几种方法：①．限幅滤波法②．中值滤波法③．算术平均值滤波法④．加权平均值滤波法⑤．滑动平均值滤波法⑥．惯性滤波法⑦．复合数字滤波Y开始系统初始化是否有键入?输入键值，程序跳转到相应子程序选择控制算法子程序设定温度子程序运行子程序通信子程序N主程序流

5、程图初始化定时时间是否到？水温检测子程序输入处理程序显示实测水温控制算法子程序NY输出处理程序N是否退出？Y关输出返回运行子程序流程图控制算法设计⑴．PID控制算法设计其控制规律表达式为：由上式可得PID控制器的传递函数为：对应的数字PID控制算法：①．位置型PID控制算法：②．增量型PID控制算法(2).最小拍控制系统设计被控对象传函为。令采样周期T=1s，则有广义对象的脉冲传递函数：闭环脉冲传递函数为则数字控制器的脉冲传达函数为(3).史密斯预估控制方案设计根据史密斯预估控制的基本思路，史密斯预估器的传函为(4).达林算法

6、控制方案设计设期望闭环传函为，则数字控制器传函为四．Matlab仿真：被控对象传函：1.常规PID控制2.微分先行PID控制3.中间反馈PID控制上述三种PID控制方案中，微分先行PID控制方案的控制效果最好，系统达到稳态所需时间最短。4.最小拍控制可见系统响应会有2s的延迟。5.史密斯预估控制6.达林控制算法通过比较上述几种控制方案的控制效果可知，最小拍控制方案和达林算法控制方案的控制效果最佳，两者大道稳态所需的过渡时间均较短。