计算机控制课程设计报告Word文档格式.docx
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基于simulink仿真的计算机温度控制系统
设计内容:
假设被控温度对象为1/(2s+1),选择Pt100热电阻测温,A/D转换器为8位,设定温度200C,设计最少拍无纹波控制器
设计要求:
1、分别在8位和16位cpu下选择不同的采样周期1s,20s,60s观察其性能;
2、自行选择热电阻电桥参数;
目录
1仿真系统描述4
2仿真系统各模块设计4
2.1热电阻桥式电路模块4
2.1.1Pt100热电阻的测温特性4
2.1.2Pt100热电阻电桥测温电路模块4
2.1.3Pt100热电阻电桥测温电路仿真模块的设计5
2.2标度转换模块的设计6
2.3最少拍无纹波控制器模块7
2.4仿真系统总图8
3仿真波形及波形分析8
3.1仿真波形8
3.2波形分析9
4实验与调试9
5总结与心得10
参考文献11
1仿真系统描述
温度是工业生产中最常用和最基本的工艺参数之一。
本系统在被控对象传递函数已知的条件下,设计最少无纹波控制器,其中被控对象为1/(2s+1),使用Pt100作为温度传感器。
仿真系统总原理图如图1所示。
图1仿真系统总原理框图
2仿真系统各模块设计
2.1热电阻桥式电路模块
2.1.1Pt100热电阻的测温特性
由于铂的物理和化学性能稳定,抗氧化能力高,电阻率高,且材料易于提纯,复制性和工艺性好,因此作为测温电阻十分理想。
铂热电阻的电阻值与温度之间的关系接近于线性。
被测温度在为-200℃~0℃范围内时,
被测温度在为0℃~650℃范围内时,
式中,
;
(0℃时的电阻值)。
2.1.2Pt100热电阻电桥测温电路模块
Pt100热电阻采用三线制接法是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。
这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。
Pt100热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。
采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
热电阻电桥测温电路如图2所示。
电路中R=100Ω,E=5V,
图2Pt100热电阻电桥测温电路
2.1.3Pt100热电阻电桥测温电路仿真模块的设计
由于被测温度在为0℃~650℃范围内时,
,
由于设定温度20℃,在0℃~30℃,Pt100热电阻的测温特性视为线性,
输出温度值转化为铂热电阻值仿真模块如下:
图3输出温度值转化为铂热电阻值仿真模块
电阻值转化为电压值仿真模块如下:
图4Pt100电阻值转化为电压值仿真模块
2.2标度转换模块的设计
在将铂热电阻电桥测温模块的输出端后接一个8位的A/D转换器,将输出电压
转换为温度,可由以下两个公式推出,式中R=100Ω,A=3.90802,E=5V;
电压值转化为电阻值:
电压值转化为电阻值仿真模块如下:
图5电压值转化为电阻值仿真模块
电阻值转化为温度值:
图6电压值转化为电阻值仿真模块
2.3最少拍无纹波控制器模块
最少拍无纹波控制器只能输入离散值,所以应在输入端前接采样开关对误差进行采样,但由于是仿真系统,该采样开关可以用零阶保持器代替。
根据题目意思,采样周期分别为1s、20s和60s。
最少拍无纹波控制器的设计如下:
因为输入为阶跃信号,所以
采样周期为T;
当T=1s时,
当T=20s时,
当T=60s时,
2.4仿真系统总图
仿真系统总图如图7所示。
图7仿真系统总图
3仿真波形及波形分析
本仿真系统的设定温度为20℃。
3.1仿真波形
8位CPU时,采样周期为1s、20s、60s的的仿真波形如图8所示;
16位CPU时,采样周期为1s、20s、60s的的仿真波形如图9所示;
图88位CPU时,采样周期为1s、20s、60s的仿真波形
图916位CPU时,采样周期为1s、20s、60s的仿真波形
3.2波形分析
将上面8幅仿真波形图进行对比。
可知,本仿真系统的控制波形不会因CPU的位数不同而有差异,但放大波形可以发现16位CPU采样后波形更加平滑。
但将不同采样周期的仿真波形进行比较后,发现采样周期为1s的波形图,上升速度很快,经过1个周期就达到了设定温度。
而采样周期为20s和60s的波形图基本重叠,可知,采样周期越短,系统的控制效果越好。
而采样周期到达一定长度时,控制效果的差异不明显。
4实验与调试
在整个仿真系统的设计中,本小组遇到的最大难题就是在热电阻桥式测温电路设计这一部分。
遇到的问题有:
在反馈回路A/D模块后,如何将电压值转化为温度值。
分段线性化是一种可行的方案,但可能导致结果不够准确,因而我们使用经过公式反推,将电压值转化为对应的电阻值,进而转化为对应的温度值。
这一部分的运算可以让计算机进行运算。
5总结与心得
通过本设计,较系统地掌握了最少拍无纹波控制器的设计方法,热电阻作为测温传感器的模型构建,以及simulink在控制系统仿真中的应用。
计算机控制原理这一门课在上课时是比较抽象难懂的,对于零阶保持器,最少拍无纹波控制器以及A/D转换器难以直观了解,通过此次在simulink进行系统设计我们更加加深理解。
同时在设计中,我们也感觉到了只有夯实的理论基础才能更好地指导实践的应用。
一开始有很多知识点都只有个大致了解,通过此次设计,和同伴一起查找资料,在一次次地讨论中完善设计最终实现功能要求。
参考文献
高金源,夏洁.计算机控制系统[M].北京:
清华大学出版社,2007.
薛定宇,控制系统仿真与计算机辅助设计[M],北京:
机械工业出版社,2009.
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