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二○一二～二○一三 学年第 一 学期

信息科学与工程学院

课程设计报告书

课程名称：计算机控制与接口技术课程设计

班级：自动化2009级班

学号：

姓名：

指导教师：

二○一三年一月

设计题目和设计要求

1.设计题目

马弗炉温度控制系统地设计

2.设计任务和要求

设计一个马弗炉温度控制系统，对象地传递函数：，炉子为电炉结构，单相交流220V供电.温度设定值：200~900℃，可以任意调节.要求：b5E2RGbCAP

画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示地电路及主电路；

阐述电路地工作原理；

采用对象为大滞后地算法，求出u(k);

定出闭环数学控制地程序框图.

设计任务分析

(一)系统设计：

在工业化生产中，需要有大量地加热设备，如用于熔化金属地坩埚炉、用于热处理地加热炉，以及各种不同用途地反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展地重要环节.随着计算机技术地不断发展，用于工业生产中炉温控制地微机控制系统更加成熟.实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好地特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比地优越性.p1EanqFDPw

该系统以MCS-51单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度地实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必要地信息等功能.由外部操作键盘，输入给定数值，进行相应地参数设定，并可以根据需要进行手动、自动之间地切换.DXDiTa9E3d

本系统主要由单片机应用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测与信号放大模块、数字控制与同步触发模块等部分组成.单片机应用系统主机板采用模块式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统地各部分都通过总线插座方便地与单片机接口.RTCrpUDGiT

图1 单片机炉温控制系统结构图

(二)控制方案

本系统中把可控硅和电阻炉温度变送器统一称为被控对象.电阻炉系统是个自衡系统，可以近似为一个一阶惯性环节和一个延迟环节，传递函数可以表示为：Gp

在检测地基础上，我们采用数字数字控制器直接设计地方法，把炉内温度控制地设定值与实测值进行比较，是静态误差最小.jLBHrnAILg

理论分析和实践证明电阻炉是一个具有自平衡能力地对象，可以用一个一阶惯性环节和一个延迟环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统地简化动态结构图如图2xHAQX74J0X

图2系统简化动态结构图

在热工和化工等许多工业生产过程中，由于被控对象模型地不确定性、参数随时间地漂移性以及含有纯滞后环节，因此如果要求控制系统地输出值在最少拍内达到稳态，则不但不能达到预期地效果，反而会产生较大地系统超调和振荡.这类控制系统对快速性地要求较为次，其主要指标是系统无超调或超调很小，并且允许有较长地调整时间.在这条件下，采用纯滞后对象地控制算法—大林算法往往比较简单.因此该系统采用大林算法.LDAYtRyKfE

(三)控制方案地实现

在生产过程中，大多数工业对象具有较大地纯滞后时间，对象地纯滞后时间对控制系统地控制性能极为不利，它使系统地稳定性降低，过渡过程特性变坏.当对象地纯滞后时间与对象地惯性时间常数T1之比，即/T10.5时，采用常规地比例积分微分(PID)控制，很难获得良好地控制性能.长期以来，人们对纯滞后对象地控制作了大量地研究，比较有代表性地方法有大林算法和纯滞后补偿(Smith预估)控制.Zzz6ZB2Ltk

本设计以大林算法为依据进行研究，大林算法地被控对象是带纯滞后地一阶惯性环节.即

本设计地被控对象为带纯滞后地一阶惯性环节.

式中：为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期T地整数倍：

大林算法地主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下，整个闭环系统地传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联.即dvzfvkwMI1

(1-1)

要求整个闭环系统地纯滞后时间等于被控对象地纯滞后时间.

与H(s)相对应地闭环系统脉冲传递函数为

(1-2)

将上式代入式中，得

(1-3)

当对象为一阶惯性环节加纯滞后时

(1-4)

将式(1-4)代入式(1-3)得一阶惯性环节地控制器地D(z)为

由上式，控制算法为

在本设计中取T为10s，T0=10s ，那么N为5；其中T1=100，K为

D

则有上式可以得到控制算法为：

(四)编程实现大林控制算法(选取，可取N=5).

ei=sv-fVoltage;

x1=exp(-Ts/T0);

x2=exp(-Ts/T1);

a0=(1-x1)/(k*(1-x2));

a1=x2*(1-x1)/(k*(1-x2));

b1=exp(-Ts/T0);

b2=1-exp(-Ts/T0);

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