对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计

对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计 中心民族高校信息工程学院 计算机限制技术综合设计试验报告 学生姓名 学 号 指导老师 试验地点 试验名称 加热炉系统温度限制器设计 书目 一、设计题目及要求3 二、设计方案及结构图3 1、计算机限制系统结构图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 四、参数计算及仿真8 1、时数字调整器D（z）的实现8 a、无限制作用下系统伯德图8 b、最少拍下调整器函数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、时数字调整器D（z）的实现16 a、无限制作用下系统伯德图16 b、达林算法下调整器函数17 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、心得及体会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限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％，辨别率0.2℃ 2、 书面设计一个计算机限制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图； 3、 选择一种限制算法并借助软件工程学问编写程序流程图； 4、 用MATLAB和SIMULINK进行仿真分析和验证; 对象确定K10*logC*C-sqrtC,rand‘state’,C,Trang1, 考虑θ0或T/2两种状况。 C为学号的后3位数，如C325，K115.7，T0.9824，θ0或0.4912 5、 进行牢靠性和抗干扰性的分析。 二、设计方案及结构图 1、计算机限制系统结构图 被控过程 保持器 数字限制器 wt et ekT ukT ut yt - T 其限制过程可描述如下 1 只有在采样开关闭合（即采样）的kT时刻，才对系统误差et的瞬时值进行检测，也就是将整量化了的数字量ekT输入给计算机（数字限制器）。这一过程称为实时采集。 2 计算机对所采集的数据ekT进行处理，即依给定的限制规律（数字限制器）确定该kT采样时刻的数字限制量ukT。这一过程称为实时决策。 3 将kT采样时刻决策给出的数字限制量ukT转换为kT时刻生效的模拟限制量ut限制被控对象。这一过程称为实时限制。 2、硬件结构图 被控对象 温度限制 DA转换 单片机 AD转换 温度输出 信号滤波 信号放大 温度检测 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，利用偏差信号进行限制。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限制信号，限制信号通过DA转换器转换成模拟信号之后对执行元件进行限制，使被控参数符合系统的要求。 而该系统采纳闭环限制，具有自动调整的实力，将温度限制在肯定的范围内，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整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限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、电感改变转换为电压或电流。分直流电桥和沟通电桥，沟通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改变，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改变，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 图中R5,R6,R7,R8和R2构成电桥电路，其中R2起的作用是，在传感器改变为零时，调整R2使电桥平衡，输出为零。假设R5R6R7R8R，电桥输出。 2、放大环节 由于电桥输出的信号非常微弱，所以放大电路采纳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，这里可采纳场效应管组成的输入电路T1084。 3、滤波电路 为削减或消退外界干扰，而且温度改变的频率很慢，所以我们运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,R13R1010K，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 依据题目要求，温度测量范围为，辨别率为，则测量是量程为，再由，可得。可取，即采纳12位的ADC和12位的DAC。 当采纳12位ADC进行模/数转换时,其辨别率为，远远满意设计要求。可采纳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，用于接收获得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。 5、D/A 转换电路 由上分析，本设计须要采纳12位的A/D转换器，及之相对应，可采纳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。 8051及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 和两种状况。 1、时数字调整器D（z）的实现 a、无限制作用下系统伯德图 此时 运用MATLAB画出其频率特性曲线图，程序如下 num[122.88]; den[0.7479,1]; wlogspace-1,4; bodenum,