前饋反饋復(fù)合控制課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告書</b></p><p>　　課程名稱： 控制系統(tǒng)課程設(shè)計 </p><p>　　題 目： 前饋反饋復(fù)合控制設(shè)計 </p><p>　　系 （院）： 電子工程學(xué)院 </p><p>　　

2、學(xué) 期： 2014-2015-2 </p><p>　　專業(yè)班級： 自動化121 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>

3、<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　2前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的概述</p><p><b>　　2.1基本概念</b></p><p><b>　　2.2系統(tǒng)的組成</b></p>

4、<p><b>　　2.3系統(tǒng)的特點(diǎn)</b></p><p>　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計與要求</p><p>　　3.1案例要求 </p><p>　　3.2擬合曲線的仿真及傳遞函數(shù)的確定</p><p>　　3.2.1 MATLAB的介紹</p><p>　　3.2.2溫度

5、測試數(shù)據(jù)的擬合和仿真響應(yīng)曲線</p><p>　　3.3 利用臨界比例度法整定參數(shù)</p><p>　　3.3.1操縱變量對被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定</p><p>　　3.3.2干擾對被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定</p><p>　　3.4 前饋反饋系統(tǒng)仿真與整定</p><p>　　3.4.1

6、靜態(tài)前饋反饋的仿真</p><p>　　3.4.2動態(tài)前饋反饋的仿真</p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　4.1 proteus的介紹</p><p>　　4.2單片機(jī)芯片的選用</p><p>　　4.3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　4.

7、4 單片機(jī)的A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　4.5 顯示電路設(shè)計</p><p>　　4.6 鍵盤電路設(shè)計</p><p>　　4.7 自動/手動切換電路與報警電路電路設(shè)計</p><p>　　5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　5.1 軟件規(guī)劃</p><p&g

8、t;　　5.2 程序流程圖</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　8 附錄—單片機(jī)控制硬件總電路圖</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　換

9、熱器是過程控制生產(chǎn)中普遍使用的換熱裝置之一，工業(yè)介質(zhì)經(jīng)過換熱器后一般能達(dá)到比較好的溫度控制效果，為下一步工藝過程創(chuàng)造良好的工藝介質(zhì)反應(yīng)溫度條件，其出口溫度控制的精度，直接影響下一工藝的反應(yīng)過程，因此，換熱器出口溫度的控制方案設(shè)計在工程控制系統(tǒng)設(shè)計中占有比較重要的作用。</p><p>　　目前,換熱器控制中大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的PID控制,以加熱介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段,以被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)

10、,對于存在大的負(fù)荷干擾且對于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場合,多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控</p><p>　　制構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　2 前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的概述</p><p><b>　　2.1基本概念</b></p><p>　　前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中既有針對主要擾動信號進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩?/p>

11、制，又存在對被調(diào)量采用反饋控制以克服其他的干擾信號，這樣的系統(tǒng)就是前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。</p><p>　　（1）復(fù)合控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中存在兩種不同的控制方式，即前饋、反饋。</p><p>　?。?）前饋控制系統(tǒng)的作用是對主要的干擾信號進(jìn)行補(bǔ)償，可以針對主要干擾信號，設(shè)置相應(yīng)的前饋控制器 。</p><p>　　（3）引入反饋控制，是為了是系統(tǒng)能夠克服所有的干

12、擾信號對被調(diào)量產(chǎn)生的影響，除了已知的干擾信號以外，系統(tǒng)中還存在其他的干擾信號，這些擾動信號對系統(tǒng)的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們肯本就考慮不到或是無法測量，都通過反饋控制來克服。 </p><p>　　（4）系統(tǒng)中需要測量的信號既有被調(diào)量又有擾動信號。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)的組成</b></p><p>　?。?

13、）擾動信號測量變送器：對擾動信號測量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號</p><p>　?。?）被調(diào)量測量變送器：對被調(diào)量測量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號</p><p>　?。?）前饋控制器：對干擾信號完全補(bǔ)償</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器：反饋控制調(diào)節(jié)器，對被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié) </p><p>　?。?）執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) </p>

14、<p>　?。?）擾動通道對象：擾動信號通過該通道對被調(diào)量產(chǎn)生影響 </p><p>　　（7）控制通道對象：調(diào)節(jié)量通過該通道對被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)</p><p>　　前饋—反饋復(fù)合系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-1所示： </p><p><b>　　圖2-1簡化原理圖</b></p><p>&

15、lt;b>　　2.3系統(tǒng)的特點(diǎn)</b></p><p>　　從前饋控制角度上講，由于增加了反饋控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。而從反饋控制角度上講，由于前饋控制的存在，對于擾動做了及時的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。很顯然，前饋無論加在什么位置都不會構(gòu)成回路，系統(tǒng)的特征式都保持不變，因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p&

16、gt;　　3控制系統(tǒng)設(shè)計與要求</p><p><b>　　3.1案例要求</b></p><p>　　生產(chǎn)實踐中，當(dāng)工藝介質(zhì)比較穩(wěn)定的時候，單閉環(huán)調(diào)整換熱器的蒸汽流量，可以實現(xiàn)對工藝介質(zhì)的出口溫度的控制，但當(dāng)工藝介質(zhì)進(jìn)料不穩(wěn)定的時候，僅用單閉環(huán)蒸汽流量的調(diào)整對換熱器出口溫度進(jìn)行控制卻達(dá)不到令人滿意的程度。因此需要加入前饋控制器。</p><p&g

17、t;　　當(dāng)換熱器的工藝介質(zhì)穩(wěn)定，對加熱蒸汽進(jìn)行單位階躍激勵，則工藝介質(zhì)出口溫度測試數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　當(dāng)加熱蒸汽流量不變，換熱器工藝介發(fā)生階躍變化時，則工藝介質(zhì)出口溫度測試數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　3.2擬合曲線的仿真及傳遞函數(shù)的確定</p><p>　　3.2.1 MATLAB的介紹</p><p>　　MATLAB是美

18、國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。</p><p>　　MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)

19、據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　MATLAB產(chǎn)品族可以用來進(jìn)行以下各種工作： 數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

20、、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務(wù)與金融工程。</p><p>　　MATLAB特點(diǎn)：此高級語言可用于技術(shù)計算，此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計及求解問題，數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等，二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)，各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面，各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語

21、言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）。</p><p>　　3.2.2溫度測試數(shù)據(jù)的擬合和仿真響應(yīng)曲線</p><p>　　（1）當(dāng)換熱器的工藝介質(zhì)穩(wěn)定，對加熱蒸汽進(jìn)行單位階躍激勵時，求出口溫度擬合曲線。程序如下：</p><p>　　x=[0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100]

22、;</p><p>　　y=[0 5 80 130 250 260 280 290 297 300 300 300];//輸入溫度的數(shù)據(jù)</p><p>　　A=polyfit(x,y,3) //進(jìn)行3階多項式擬合，輸出各項系數(shù)的值</p><p>　　z=polyval(A,x); //輸出各個x處的多項值的值</p><p>　　k=20

23、; //利用多項式求導(dǎo)，在x=0時的切線的斜率</p><p>　　x0=2;y0=0; //擬合曲線與x軸的交點(diǎn)</p><p>　　b=y0-k*x0; //求出b值</p><p>　　x1=0:100//定義未知數(shù)x1的范圍</p><p>　　y1=k*x1+b; //切線函數(shù) </p><p>　　

24、plot(x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'r-')； </p><p>　　axis([0 100 0 300])；</p><p><b>　　grid on</b></p><p>　　得到 A =0.0005 -0.1356 11.5854

25、 -23.7494，曲線如圖3-1所示：</p><p><b>　　圖3-1擬合曲線</b></p><p>　　從圖中得出：延遲時間τ=2.5，k=300,T=17，所以傳遞函數(shù)為：</p><p>　　G（s）=exp(-2.5*s)*(300/(17s+1)) (3-1)</p><p&

26、gt;　　(2)當(dāng)加熱蒸汽流量不變，換熱器工藝介質(zhì)發(fā)生階躍變化時，求出口溫度擬合曲線。程序如下：</p><p>　　x=[0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160];</p><p>　　y=[0 2.5 5 22.5 40 42.5 60 65 67.5 70 72.5 73.6 74.3 74.5 74.9

27、75 75 75];</p><p>　　A=polyfit(x,y,3)</p><p>　　z=polyval(A,x);</p><p><b>　　k=3.5;</b></p><p>　　x0=3.6;y0=0;</p><p>　　b=y0-k*x0;</p><p

28、><b>　　x1=0:100</b></p><p>　　y1=k*x1+b;</p><p>　　plot(x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'g-')；</p><p>　　axis([0 160 0 75])；</p><p>　　grid on

29、 </p><p>　　得到 A =0.0000 -0.0133 1.8081 -5.7583，曲線如圖3-2所示：</p><p><b>　　圖3-2擬合曲線</b></p><p>　　從圖中得出：延遲時間τ=3.5，k=75,T=21;</p><p><b>　　所以傳遞函數(shù)為

30、：</b></p><p>　　G（s）=exp(-3.5*s)*(75/(21s+1)) (3-2)</p><p>　　3.3 利用臨界比例度法整定參數(shù)</p><p>　　3.3.1操縱變量對被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定</p><p>　　臨界比例度法適用于已知對象傳遞函數(shù)的場合。在閉合的控

31、制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時的比例度稱為臨界比例度，相鄰兩個波峰間的時間間隔稱為臨界振蕩周期。然后查找參數(shù)整定表計算得到PID的整定參數(shù)。通過MATLAB仿真得到系統(tǒng)的響應(yīng)效果，并微調(diào)參數(shù)獲得理想的控制效果。連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度整定方法的控制器參考參數(shù)表如表3-1所示。 </p><p>　　表3-1 連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法整定控制器參數(shù)</

32、p><p>　　圖3-3 PID控制器的參數(shù)整定方框圖</p><p>　　1.畫出系統(tǒng)的simulink模型如圖3-3所示；</p><p>　　2.斷開系統(tǒng)微分器的輸出連線、積分器的輸出連線，Kp值從小到大進(jìn)行試驗，觀察示波器的輸出，直到輸出等幅振蕩曲線為止，記下此時的比例度，臨界振蕩周期Tk。</p><p>　　3.根據(jù)表1選則Kp，對

33、系統(tǒng)進(jìn)行P控制整定，記錄Kp并給出單位階躍響應(yīng)曲線；</p><p>　　4.根據(jù)表1選擇Kp，Ti，對系統(tǒng)進(jìn)行PI控制整定，記錄Kp，Ti，繪制單位階躍響應(yīng)曲線；</p><p>　　5.根據(jù)表1選擇Kp，Ti，對系統(tǒng)進(jìn)行PID控制整定，記錄Kp，Ti，并繪制單位階躍響應(yīng)曲線；</p><p>　　6.對P，PI，PID控制的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，給出分析結(jié)果。&

34、lt;/p><p>　　調(diào)整Kp得到等幅振蕩曲線，如圖3-4所示，進(jìn)而得到比例度，臨界振蕩周期Tk，查表1計算得到P、PI、PID的控制參數(shù)，其仿真結(jié)果分別如圖3-5、3-6、3-7所示：</p><p>　　圖3-4等幅振蕩響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.0421，Tk=10 </p><p>　　圖3-5

35、P控制的響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.0215，1/Ki=0,Kd=0</p><p>　　圖3-6 PI控制的響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.0186,1/Ki=0.1176,Kd=0</p><p>　　圖3-7 PID控制的響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.0248,1/Ki=

36、0.2,Kd=1.25 </p><p>　　從上述圖中可以看出，P控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但沒辦法克服系統(tǒng)的靜差。PI控制由于引入了積分，有效地克服了系統(tǒng)的靜差。PID控制由于微分的作用，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。驗證了理論課上的結(jié)論。通過比較發(fā)現(xiàn)P控制器的超調(diào)較PI，PID控制器的都小，但是P控制器的余差較大，本次選取PI控制器即可。</p><p>　　3.3.2干擾對被控變量傳遞

37、函數(shù)的PID參數(shù)整定</p><p>　　使用的方法、方框圖、步驟同操縱變量對被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定。同理，調(diào)整Kp得到等幅振蕩曲線，如圖3-8所示，進(jìn)而得到比例度，臨界振蕩周期Tk，查表1計算得到P、PI、PID的控制參數(shù)，其仿真結(jié)果分別如圖3-9、3-10、3-11所示：</p><p>　　圖3-8等幅振蕩響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.

38、143，Tk=12.5</p><p>　　圖3-9 P控制的響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.0715,1/Ki=0,1/Kd=0</p><p>　　圖3-10 PI控制的響應(yīng)曲線</p><p>　　其中Kp=0.065,1/Ki=0.094,Kd=0</p><p>　　圖3-11 PID控制的響應(yīng)曲

39、線</p><p>　　其中Kp=0.084,1/Ki=0.16,Kd=1.563</p><p>　　通過比較發(fā)現(xiàn)P控制器的超調(diào)較PI，PID控制器的都小，但是P控制器的余差較大，本次實驗選取PI控制器即可。</p><p>　　3.4 前饋反饋系統(tǒng)仿真與整定</p><p>　　由之前得到的傳遞函數(shù)式（3-1）和式（3-2）分別是操縱變

40、量對被控變量的傳遞函數(shù)和干擾對被控變量的傳遞函數(shù)，由此可求得前饋控制器的傳遞函數(shù)。</p><p>　　假設(shè)物料流量是干擾，則可組成圖3-12所示的前饋控制方案，方案中選擇加熱蒸汽流量作為操縱變量。圖中是物料出口溫度的設(shè)定值。前饋控制的方框圖如圖3-13所示，這里假設(shè)測量變送環(huán)節(jié)以及控制閥的傳遞函數(shù)為1。</p><p>　　圖3-12 前饋控制方案圖</p><p&

41、gt;　　圖3-13前饋控制的方框圖</p><p>　　系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為</p><p>　　式中，是干擾對被控變量的傳遞函數(shù)；是操縱變量對被控變量的傳遞函數(shù)；是前饋控制器的傳遞函數(shù)。為使系統(tǒng)對擾動實現(xiàn)全補(bǔ)償，提出的條件是當(dāng)時，要求。并代入式（3-3）中可得</p><p>　　工程上將前饋和反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔玫膬?yōu)點(diǎn)

42、，又保持了反饋控制能克服多種擾動以及對被控變量進(jìn)行檢測的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.4.1 靜態(tài)前饋反饋的仿真</p><p>　　令式（3-4）中的s為0，就可以得到靜態(tài)前饋控制算式</p><p>　　式中和分別為干擾通道和控制通道的靜態(tài)增益，由已知的傳遞函數(shù)可以得知這里的和分別為75和300，所以可以根據(jù)以上公式計算得知。</p><

43、p>　　使用MATLAB進(jìn)行方框圖繪制并仿真，方框圖如圖3-14所示：</p><p>　　圖3-14 靜態(tài)態(tài)前饋反饋方框圖</p><p>　　其pid參數(shù)為P=0.0095，I=0.00045，D=0仿真結(jié)果如圖3-15所示</p><p>　　圖3-15 靜態(tài)態(tài)前饋反饋仿真圖</p><p>　　3.4.2 動態(tài)前饋反饋的仿

44、真</p><p>　　靜態(tài)前饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，它可以保證在穩(wěn)態(tài)時消除擾動的影響，但在動態(tài)過程中偏差依然存在。</p><p>　　當(dāng)控制通道和干擾通道之間的動態(tài)特性差異很大時必須考慮動態(tài)前饋補(bǔ)償。動態(tài)前饋的根據(jù)是絕對不變性原理。通過選擇合適的前饋控制規(guī)律，使干擾經(jīng)過前饋控制器之后到達(dá)被控變量這一通道時的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一樣，但是使它們的符號相反，這樣就可以使

45、控制作用補(bǔ)償干擾對被控變量的影響。</p><p>　　根據(jù)式（3-4）得出前饋控制器傳遞函數(shù)為：</p><p>　　G（s）=exp（-1*s）（（-17s+1）/(82s+1)）</p><p>　　利用MATLAB繪制方框圖并進(jìn)行仿真，方框圖如圖3-16所示：</p><p>　　圖3-16 動態(tài)前饋反饋方框圖</p>

46、<p>　　其中PID控制器參數(shù)為P=0.013，I=0.0005，D=0。其仿真如圖3-17所示：</p><p>　　圖3-17 動態(tài)前饋反饋仿真圖</p><p>　　4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　4.1 proteus的介紹</p><p>　　Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計自動化軟件，提供可仿

47、真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個元件庫。Proteus軟件提供多種現(xiàn)實存在的虛擬儀器儀表。此外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結(jié)果的影響，Proteus軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。提供Schematic Drawing、SPI

48、CE仿真與PCB設(shè)計功能，同時可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫，有RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。</p><p>　　Proteus的特點(diǎn)是：</p><p>　　1

49、、實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。</p><p>　　2、支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系

50、列、HC11系列以及各種外圍芯片。</p><p>　　3、提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。</p><p>　　4、具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于

51、一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。</p><p>　　4.2單片機(jī)芯片的選用</p><p>　　單片機(jī)處理模塊使用80C51作為主處理芯片，并用80C51單片機(jī)來協(xié)調(diào)外圍電路的工作。其主要功能為給定值輸入，電壓值讀取，電壓值校正，對矩陣鍵盤的數(shù)據(jù)、A/D轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送給顯示器、D/A轉(zhuǎn)換電路、報警電路、調(diào)節(jié)閥的指示燈。單片機(jī)通過連接芯片鎖存器74ls373，訪問外接電

52、路則是通過尋址方式來實現(xiàn)。 </p><p>　　4.3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　單片機(jī)的最小系統(tǒng)是在沒有擴(kuò)展情況下添加基本的晶振電路、復(fù)位電路和電源電路構(gòu)成的。在PROTEUS中，80C51的電源自動供給為+5V。實際中需添加變壓器等設(shè)備。因為單片機(jī)其內(nèi)部是無法實現(xiàn)復(fù)位的，所以需要外接復(fù)位電路。單片機(jī)的復(fù)位置位均是為了把電路初始化到一個確定的已知狀態(tài)。一般來

53、說，單片機(jī)復(fù)位電路的作用是把一個狀態(tài)初始化到空狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位電路是在原來單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機(jī)器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機(jī)的兩個機(jī)器周期。</p><p>　　時鐘電路是用來配合外部晶體實現(xiàn)振蕩的電路，這樣可以為單片機(jī)提供運(yùn)行時鐘。此外，單片機(jī)的時鐘電路是單片機(jī)的動力源，時鐘振蕩產(chǎn)生了序列脈沖，這些脈沖驅(qū)動CPU等單元工作。若外接晶

54、振為12MHz，機(jī)器周期為1us。</p><p>　　將時鐘電路接到80C51的XTAL1（19）和XTAL2（18）引腳上，將復(fù)位電路接到80C51的RST引腳（9）上，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。如圖4-1示：</p><p>　　圖4-1 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng) </p><p>　　4.4 單片機(jī)的A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p&

55、gt;<p>　　單片機(jī)只能對數(shù)字量進(jìn)行加工和處理，不能處理模擬量，而遇到有模擬量的地方，通常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。需要把非電量的信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信號。這里選用ADC0808模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)包括轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時間、線性度和電源靈敏度。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)需要用到模擬輸出時，就可以選擇D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)包括分辨率、線

56、性度、轉(zhuǎn)換精度、建立時間、溫度系數(shù)、輸入數(shù)字電平、電源抑制比和工作溫度范圍。D/A轉(zhuǎn)換器類型可以分為直接和間接轉(zhuǎn)換器。如果按照輸入端結(jié)構(gòu)來分類，可以分為兩類，一類是輸入端帶有數(shù)據(jù)存儲器，這類可以直接和計算機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連接，另一類是不帶數(shù)據(jù)存儲器的，要使用時就需要另外配數(shù)據(jù)存儲器。D/A轉(zhuǎn)換器可以把數(shù)字信號實現(xiàn)成模擬信號，然而它的輸出電量不能實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此這是準(zhǔn)模擬量輸出。分辨率上可分為8位、10位、16位等。這里采用DAC08

57、32模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832是8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，有20個引腳。 </p><p>　　其相關(guān)A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口電路如圖4-2圖4-3其中INO和IN1分別接傳感器測量的模擬量，當(dāng)溫度發(fā)生改變時，輸入的模擬電壓量發(fā)生改變，經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成響應(yīng)的數(shù)字信號并將其顯示在顯示器上。單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬電壓量然后再送給調(diào)節(jié)閥，控制調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。因D/A轉(zhuǎn)換之后傳遞的

58、信號很小很難識別，所以需要連接放大電路，放大電路用于電壓信號的放大。</p><p>　　圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換接口電路</p><p>　　圖4-3 D/A轉(zhuǎn)換接口電路</p><p>　　4.5 顯示電路設(shè)計</p><p>　　此處使用的顯示器是LCD1602。LCD1602可以顯示2排各16個字符。設(shè)計中的數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P0口，因為P

59、0口的輸出是三態(tài)的，所以要外接上拉電阻。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換模塊模擬量顯示在顯示器上。顯示器電路如圖4-4示：</p><p>　　圖4-4 顯示器電路</p><p>　　顯示器單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后（DAC0832）送給調(diào)節(jié)閥，當(dāng)有調(diào)節(jié)作用時燈亮。電路如圖4-5示：</p><p><b>　　圖4-5節(jié)閥信

60、號燈</b></p><p>　　4.6 鍵盤電路設(shè)計</p><p>　　用鍵盤進(jìn)行給定設(shè)定值。鍵盤顯示模塊通過8255A擴(kuò)充并行口，連接矩陣鍵盤。高四位通過與非門與中斷0連接。采用定時掃描法，先判斷是否有按鍵按下，然后再判斷是哪個按鍵被按下讀數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)組，并如此循環(huán)當(dāng)按下確定鍵時，將數(shù)組數(shù)據(jù)送到顯示器顯示。用定時器定時10ms，進(jìn)行定時掃描。設(shè)計鍵盤電路如圖4-6

61、示：</p><p><b>　　圖4-6鍵盤電路</b></p><p>　　4.7 自動/手動切換電路與報警電路電路設(shè)計</p><p>　　先設(shè)定報警電路的系數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥作用一定時間后（時間為設(shè)定值），還沒達(dá)到預(yù)期效果時，報警電路會自行報警，提醒工作人員。報警方式有閃光燈和聲音警報。當(dāng)電路出現(xiàn)報警時，需先切換到手動工作狀對系統(tǒng)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)

62、，若手動調(diào)節(jié)也不起作用，則進(jìn)行緊急停車，對系統(tǒng)進(jìn)行維修。</p><p>　　本次設(shè)計采用蜂鳴器報警。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛運(yùn)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多運(yùn)用場合。蜂鳴器與家用電氣上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL點(diǎn)評基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，即此一個管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音,所以添加三極管來增加通過蜂鳴器的電流。<

63、;/p><p>　　報警電路和切換電路如圖4-7和4-8所示：</p><p><b>　　圖4-7報警電路</b></p><p><b>　　圖4-8切換電路</b></p><p>　　5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 </p><p>　　5.1 軟件規(guī)劃 </p>

64、<p>　　首先檢測前饋和反饋通道的操縱變量和被控變量，并將測量值進(jìn)行相應(yīng)的處理后與設(shè)定值進(jìn)行比較。然后將比較值送至單片機(jī)進(jìn)行計算。然后由單片機(jī)發(fā)出信號驅(qū)動調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)完畢后繼續(xù)檢測被控變量和操縱變量。當(dāng)調(diào)節(jié)時間超過一定時間，報警燈亮，并且報警喇叭響。此時切換到人工調(diào)節(jié)，手動調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，如果當(dāng)手動都不能起調(diào)節(jié)作用時，按下緊急停車按鈕，控制系統(tǒng)立即停止工作，然后人工進(jìn)行系統(tǒng)檢查與維護(hù)。</p><p>

65、　　5.2 程序流程圖</p><p>　　根據(jù)軟件規(guī)劃畫出軟件流程圖5-1。</p><p>　　圖5-1 程序流程圖</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　為期兩個星期的課程設(shè)計結(jié)束了，它鍛煉了我查閱資料，進(jìn)行方案構(gòu)思的能力。在設(shè)計過程中，我們按照指導(dǎo)老師的要求逐步完善設(shè)計方案。對指

66、導(dǎo)老師提出的問題進(jìn)行了詳細(xì)的修改。較好地完成了設(shè)計任務(wù)。但也暴露出了一些問題。</p><p>　　作為一名自動化專業(yè)的學(xué)生，我覺得做過程控制的課程設(shè)計是十分有意義的，而且是十分必要的。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，實際操作能力卻相對較差，而做類似的課程設(shè)計為我們提供了良好的實踐平臺。本次設(shè)計的重點(diǎn)在于對數(shù)學(xué)模型的認(rèn)識，對控制器參數(shù)的選擇，并應(yīng)用臨界比例度法整定參數(shù)，用 matlab仿真驗證了書上的方

67、法，用SIMULINK軟件仿真的方法進(jìn)行參數(shù)整定，得到了理想的曲線。做好一個課程設(shè)計，不僅僅需要我們把所學(xué)的知識能夠很好地運(yùn)用，還用學(xué)會查閱相關(guān)的資料。尤其在設(shè)計程序時，更要細(xì)心。通過這次設(shè)計，更進(jìn)一步了解到理論知識與實踐相結(jié)合的重要意義，以及堅持、耐心和努力這些品質(zhì)的重要性，這對于自己今后的學(xué)習(xí)和工作很重要。</p><p>　　最后要感謝指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，和同學(xué)的熱情幫助。</p><p

68、><b>　　7 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 范立南.李飛雪，計算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009</p><p>　　[2] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1993</p><p>　　[3] 胡壽松.自動控制原理.北京：國防工業(yè)出版社，1990</p><p>　

69、　[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1993</p><p>　　[5] 陳夕松.汪木蘭.過程控制系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社,2005</p><p>　　[6] 曹天汗.單片機(jī)原理與接口技術(shù).第一版.北京：電子工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[7] 王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真.第三版.電子工業(yè)出版社，2012&l