武汉理工大学华夏学院.docx
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武汉理工大学华夏学院
武汉理工大学华夏学院
信息工程课程设计报告书
课程名称计算机课程设计
课程设计总评成绩
学生姓名、学号段丙全10212409224
学生专业班级自动化1092
指导教师姓名李莉
课程设计起止日期2012.1.7-2012.1.11
课程设计基本要求
课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节,通过课程设计,培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能,解决工程领域某一方面实际问题的能力。
课程设计报告是科学论文写作的基础,不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力,也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。
为了加强课程设计教学管理,提高课程设计教学质量,特拟定如下基本要求。
1.课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节,每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。
2.课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求,该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养;该项目有一定的实用性,且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。
课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中,课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。
3.项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案,实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。
项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中,项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性,考核成绩占30%左右。
4.项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平,项目测试性能指标的正确性和完整性,项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。
项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中,考核成绩占25%左右。
5.学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献,培养自己的阅读兴趣和习惯,借以启发自己的思维,提高综合分和理解能力。
文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中,考核成绩占10%左右。
6.答辩是课程设计中十分重要的环节,由课程设计指导教师向答辩学生提出2~3个问题,通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度,以及对问题的理解、分析和判断能力。
答辩考核成绩占25%左右。
7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节,按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。
课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程,认真评阅学生的每一份课程设计报告,给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩(百分制),最后将百分制评分成绩转换为五级分制(优秀、良好、中等、及格、不及格)总评成绩。
8.课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料,应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。
一、课程设计项目名称
温度控制系统设计
二、项目设计目的及技术要求
被控对象为电炉,采用热阻丝加热,利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小,来改变流经热阻丝的电流,从而改变电炉炉内的温度。
可控硅控制器输入为0-5伏时对应电炉温度0-300℃,温度传感器测量值对应也为0-5伏,对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统,惯性时间常数为T1=30秒,滞后时间常数为τ=10秒。
要求完成的主要任务:
1.设计温度控制系统的计算机硬件系统,画出框图;
2.编写积分分离PID算法程序,从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值;
3.计算机仿真被控对象,编写仿真程序;
4.通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响;
5.撰写设计说明书。
三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)
1.方案论证
方案一
系统采用8031作为系统的微处理器。
温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理(放大)送到A/D转换器,转换后的数字信号再送到8031内部进行判断或计算。
从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。
但对于8031来说,其内部只有128个字节的RAM,没有程序存储器,并且系统的程序很多,要完成键盘、显示等功能就必须对8031进行存储器扩展和I/O口扩展,并且需要容量较大的程序存储器,外扩时占用的I/O口较多,使系统的设计复杂化。
方案二
系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。
8051片内除了128KB的RAM外,片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器,是一个程序不超过4K字节的小系统。
系统程序较多时,只需要外扩一个容量较小的程序存储器,占用的I/O口减少,同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源,简化了设计,降低了成本。
因此89C51可以完成设计要求。
综上所述的二种方案,该设计选用方案二比较合适。
2.控制算法
PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。
它结构灵活,不仅可以用常规的PID调节,而且可以根据系统的要求,采用各种PID的变型,如PI、PD控制及改进的PID控制等。
它具有许多特点,如不需要求出数学模型、控制效果好等,特别是在微机控制系统中,对于时间常数比较大的被控制对象来说,数字PID完全可以代替模拟PID调节器,应用更加灵活,使用性更强。
所以该系统采用PID控制算法。
系统的结构框图如图3-1所示:
图3-1系统结构框图
3.数字模型的建立
具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统,其数学模型可表示为:
(2-1)
在PID调节中,比例控制能迅速反应误差,从而减小误差,但比例控制不能消除稳态误差,
的加大,会引起系统的不稳定;积分控制的作用是:
只要系统存在误差,积分控制作用就不断地积累,输出控制量以消除误差,因而,只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡;微分控制可以使减小超调量,克服振荡,提高系统的稳定性,同时加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。
将P、I、D三种调节规律结合在一起,可以使系统既快速敏捷,又平稳准确,只要三者强度配合适当,便可获得满意的调节效果。
模拟PID控制规律为:
(2-2)
式中:
称为偏差值,可作为温度调节器的输入信号,其中
为给定值,
为被测变量值;
为比例系数;
为积分时间常数;
为微分时间常数;
为调节器的输出控制电压信号。
因为计算机只能处理数字信号,故上述数字方程式必须加以变换。
设采样周期为T,第
次采样得到的输入偏差为
,调节器的输出为
,作如下近似:
(用差分代替微分)
(用求和代替积分)
这样,式(2-2)便可改写为:
(2-3)
其中,
为调节器第
次输出值;
、
分别为第
次和第
次采样时刻的偏差值。
由式可知:
是全量值输出,每次的输出值都与执行机构的位置一一对应,所以称之为位置型PID算法。
在这种位置型控制算法中,由于算式中存在累加项,而且输出的控制量不仅与本次偏差有关,还与过去历次采样偏差有关,使得产生大幅度变化,这样会引起系统冲击,甚至造成事故。
所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是其增量时,可采用增量型PID算法。
当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时,一般均采用增量型PID控制算法。
与位置算法相比,增量型PID算法有如下优点:
(1)位置型算式每次输出与整个过程状态字有关,计算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的累积计算误差;而在增量型算式中由于消去了积分项,从而可消除调节器的积分饱和,在精度不足时,计算误差对控制量的影响较小,容易取得较好的控制效果。
(2)为实现手动—自动无忧切换,在切换瞬时,计算机的输出值应设置为原始阀门开度,若采用增量型算法,其输出对应与阀门位置的变化部分,即算式中不出现项,所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。
(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用,所以即使计算机发生故障,执行器仍能保持在原位,不会对生产造成恶劣影响。
正因为具有上述优点,在实际控制中,增量型算法要比位置算法应用更加广泛。
利用位置型PID控制算法,可得到增量型PID控制算法的递推形式为:
(2-4)
式中,
为比例增益;
为积分系数;
为微分系数。
为了编程方便,可将式(2-4)整理成如下形式:
(2-5)
式中:
4.系统软硬件设计
(1)总体设计
系统的硬件包括微控制器部分(主机)、温度检测、温度控制、人机对话(键盘/显示/报警)4个主要部分,系统的结构框图如图4-1所示。
系统程序采用模块化设计方法,程序有主程序、中断服务子程序和各功能模块程序组成,各功能模块可直接调用。
图4-1系统结构框图
该部分电路主要包括89C51主程序的工作情况,主程序完成系统的初始化,温度预置及其合法性检测。
预置温度的显示及定时器T0的初始化设置等。
T0中断服务程序是温度控制体系的主体,用于温度检测、控制和报警。
主程序和中断服务子程序的流程图如图4-2所示。
主程序如附录1:
图4-2主程序和中断服务子程序的流程图
(2)温度检测电路
温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。
传感器选用型号为WZB-003的铂热电阻,可满足本系统0~300℃测量范围的要求。
变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压,当温度在0~300℃时变送器输出0~5V左右的电压。
A/D转换可采用ADC0809进行,亦可采用单片机内部A/D功能进行。
电路设计好后调整变送器的输出,使0~300℃的温度变化对应于0~5V的输出,则A/D转换对应的数字量位00H~96H,即0~150,转换结果乘以2正好是温度值。
用这种方法一方面可以减少标度变换的工作量,另一方面还可以避免标度变换带来的计算误差。
本设计A/D转换采用查询方式(由P1.4查询ADC0809的ECO转换结束信号)。
为提高采样的可靠性,对采样温度进行数字滤波。
数字滤波的方法很多,这里采用4次采样取平均值的方法。
因此,4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。
温度检测子程序流程图如图4-3所示。
图4-3温度检测子程序流程图
(3)温度控制电路
控制电路采用可控硅来实现,双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回路中,单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端,由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开,从而控制电阻丝的通电加热时间。
将当前温度与预置温度比较,当前温度小于预置温度时,继电器闭合,接通电阻丝加热;当前温度大于预置温度时,继电器断开,停止加热;当二者相等时电路保持原来状态;当温度降低到比预置温度低2℃时,再重新启动加热;当前温度超出报警上下限时将启动报警,并停止加热。
由于电炉加热时,当前温度有可能低于报警下限,为防止误报,在未达到预置温度时,不允许报警,为此设置了报警允许标志位F0。
温度控制模块流程图见图4-4。
图4-4温度控制模块流程图
(4)人机对话电路
1)键盘管理
为使系统简单紧凑,键盘只设置四个功能键,分别是“启动键”、“百位”、“十位”和“个位”。
由P1口低四位作为键盘接口。
利用数字键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行0~300℃的温度设置。
程序设有预置温度合法检测报警,当预置温度超过300℃时会报警并且将温度设为300℃。
键盘管理子程序流程图如图4-5所示。
图4-5键盘管理子程序流程图
2)数码显示
本系统设有3位LED数码显示器,用于显示电阻炉的设定温度和实际温度。
采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。
显示子程序DISP如附录2:
3)报警
报警功能由蜂鸣器实现,当由于意外因素导致电阻炉温度高于设置温度时,单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。
报警上限温度值为预置温度+5℃,即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警,并停止加热;报警下限温度值设为预置温度-5℃,即当前温度下降到低于预置温度-5℃,且报警允许时报警,这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。
报警的同时也关闭电电炉。
图4-6为报警子程序流程图。
图4-6报警子程序流程图
四、项目设计结果分析(分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性,分析产生不正确结果的原因和处理方法)
1.基MATLAB仿真被控对象
采用simulink仿真,通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。
设采样时间Ts=10s,被控对象为:
Simulink仿真图如图5-1所示。
图5-1Simulink仿真图
选择合适的Kp,Ki,Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。
MATLAB编写程序如下:
clearall;
closeall;
ts=4;
sys=tf([1],[30,1],'inputdelay',10);
dsys=c2d(sys,ts,'zoh');
[num,den]=tfdata(dsys,'v');
kp=13;
ki=0.4;
kd=0.2;
2.心得体会
课程设计是对我们在这学期学到的微型计算机控制技术这门课的理论知识的一个综合测评,是对我们将理论结合时间的综合能力的考查,是培养我们发现问题、解决问题的能力,是激发我们内在创新意识的途径。
在此次课程设计中,我们学到了许多平时课堂上学不到的东西。
在设计过程中我遇到了许多难以解决的问题,通过去图书馆看书、上网查资料以及请教同学,努力最终一步一步得以解决。
通过这次课程设计,不仅锻炼了我的动手能力,更培养了我发现问题、解决问题的能力,巩固了我以前学过的专业知识,促进了我的自学能力。
通过本次设计,我还了解到什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理,设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻认识到算法的控制对整个系统的重要作用。
一个细小的参数设定出现偏差,可能导致最后的性能指标不和标准。
所以选择一个优良的方案对于实验至关重要。
五、参考文摘(相关文摘不少于5篇,记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市:
文献出版社,出版年;文献内容摘要,每篇不少于100字)
[1]吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用.北京:
清华大学出版社,2000.
《8051单片机实践与应用》精选了8051单片机的汇编语言以及开发过程中应注意到的问题。
通过在每一个8051功能模块介绍中辅以应用实例,介绍了单片机基本模块的应用、串行通信的应用、音乐的应用、显示器和键盘控制、电子号码锁的应用、A/D的模数转换的应用、点阵显示器的应用、外围接口IC的应用、步进马达的控制电路、8279年应用、实时时钟芯片的应用,打印机的应用、A/D转换器ICL7135应用、绘图型LCD的应用。
《8051单片机实践与应用》中每一个实例都有完整的程序、详细的注解和完整的电路图。
[2]李建忠.单片机原理及应用.西安:
西安电子科技大学出版社,2001.
《单片机原理及应用》以MCS-51系列单片机为例,系统、全面地介绍单片机的原理、接口及应用技术。
全书共分9章,其主要内容包括概论,MCS-51系列单片机的资源配置,MCS-51系列单片机的指令系统及汇编语言程序设计,单片机的C语言编程,MCS-51系列单片机的片内接口及中断,MCS-51系列单片机的扩展技术,单片机应用系统的接口技术,单片机应用系统设计,单片机应用系统设计实例。
大部分章配有习题,以帮助读者深入学习。
《单片机原理及应用》可作为高等院校自动化、电气工程、机电一体化及相关专业本科教材,还可作为相关专业专科教材,也可作为从事单片机应用开发的工程技术人员的参考书。
[3]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.北京:
高等教育出版社,2001.
《微型计算机控制技术(第2版)》内容全面,深入浅出,注重实用。
《微型计算机控制技术(第2版)》全面系统地讲述了微型计算机在嵌入式系统中的各种应用技术。
主要内容有:
微型计算机控制系统的组成及分类、A/D和D/A转换、数据采集、键盘接口技术、LED及LCD显示、报警技术、马达控制、步进电机控制、I/C卡接口技术、RFID技术、串行通信及其接口总线(RS-232-C、SPI、I2C)、现场总线、数字滤波、标度变换、自动量程转换、非线性补偿、PID控制、模糊控制、微型计算机控制系统设计方法及实例、微型计算机控制系统抗干扰措施等。
全书的介绍以目前应用最多的MCS-51系列单片机为主,也兼顾一些其他型号的单片机。
书中虽然以单片机为例进行讲述,但书中所涉及的全部内容都是目前所流行的嵌入式系统所需要的,完全适用于嵌入式系统。
[4]何立民.单片机应用系统设计.北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
《单片机应用系统设计》以MCS-51系列单片机为控制核心,从提高读者单片机应用系统设计能力出发,有单片机应用系统开发基础、单片机最小系统应用设计、单片机并口扩展应用系统设计、单片机串口扩展应用系统设计、单片机I2C等其他芯片应用设计以及单片机综合应用系统设计等6个模块,含单键单灯控制、流水灯花样控制、直流电动机控制智能小车、步进电动机控制智能小车、数字钟控制器、智能温度测控系统、预付费式用电控制箱语音报警器及车载自动饮水机控制系统设计等8个项目,循序渐进地介绍了单片机应用系统开发过程、硬件电路设计及汇编语言程序设计方法,以任务为单元完成各知识点的学习,介绍了单片机内部各功能部件的结构、工作原理、外部中断和定时器的应用等。
[5]周航慈.单片机程序设计基础.北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
《单片机程序设计基础(修订版)》是《单片机应用程序设计技术》(修订版)一书的姐妹篇。
《单片机应用程序设计技术》的内容以程序设计的经验和技巧为主,而《单片机程序设计基础(修订版)》内容则以程序设计的基本算法为主,目的在于全面提高单片机程序设计者的软件素质。
基本内容包括:
单片机常用的线性数据结构和相关算法、排序和查找算法、树和图在单片机中的实现、常用的数据处理算法及常用编码方法等。
从单片机系统的实际硬件环境出发,语言通俗易懂,使读者轻松地将单片机程序设计基本算法学到手。
为加强学习效果和增加实用价值,《单片机程序设计基础(修订版)》配套了上机学习光盘,在光盘中还提供了最新修订的子程序库和相关调试工具软件,以及众多单片机资料
课程设计评分表
评分项目
评分成绩
1.选题合理、目的明确(10分)
2.设计方案正确,具有可行性、创新性(30分)
3.项目工艺水平及测试性能达到技术要求(25分)
4.参考文摘不少于5篇(10分)
5.答辩(25分)
总分(100分)
答辩记录:
指导教师综合评语:
指导教师(签名)
日期:
年月日
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