控制系统综合设计课程任务书.docx

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控制系统综合设计课程任务书

《控制系统综合设计》

课程设计指导书

《控制系统综合设计》课程设计

一、课程设计要求

通过设计，要求学生在指导老师的指导下，独立完成所分担的课题设计内容。

包括：

正确选择方案。

正确进行器件的选择，软硬件设计及调试；根据课题设计要求进行必要的实验、调试；绘制相应的原理图；编制软件程序，实现相应的功能；编写设计说明书；参加答辩。

设计要求包括：

（1）初步掌握控制系统的分析、设计的基本方法。

完成控制系统结构原理图的绘制，完成一份课程设计说明书。

（2）掌握控制系统的组成、特性、体系结构、互连协议、工业现场实现等理论；

（3）掌握控制系统所需软、硬件平台，即单片机、PLC等控制器和控制局域网总线、以太网总线等各种总线的总线标准，完成基于不同总线的现场节点结构和系统设计；要求能初步应用各类编程软件开发工具进行总线和节点的开发。

二、课程设计题目

（一）基于组态的工业以太网总线温度控制系统设计

1．系统模型

基于以太网总线，构建分布式电烤箱温控系统，采用单片机、PC、控制软件编程技术，实现电烤箱温控系统设计。

以工业以太网教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，模拟调试以现场总线为基础的热电偶温度检测模块与数字量输出模块的控制。

其中热电偶温度检测功能模块为只读数据，数字输出为可配置数据。

利用功能模块检测温度，通过数字输出通道来控制继电器开关，实现温度控制。

2．综合设计实现的基本功能

控制烤箱温度，量程范围0～100℃,超调量不超过5％。

3．综合设计的具体要求

（1）温度传感器选用J型热电偶；设计出温度检测的硬件控制系统，给出硬件系统的电路原理图。

（2）实现热电偶温度检测系统软件设计，量程范围0～100℃，采用组态软件进行分布式电烤箱温度控制系统监控软件设计，完成系统整体集成，调试运行。

（二）锅炉计算机温度控制系统的设计

设计任务：

1、要求锅炉温度保持在95-100℃，最高温度不得超过100℃，最低温度不能低于95℃；

2、温度控制采用数字控制算法，参数检测值不能保证在所要求温度范围时，进行报警；

3、由加热元件实现加温；

4、对锅炉的温度参数进行检测并要求实时显示锅炉温度，显示位数4位；

5、温度参数由传感器进行检测，经变送器处理后，转换成0～5V标准信号，送A/D转换器进行A/D转换，计算机每隔一定时间采样一次，采满5次后进行中值滤波，经数据变换后，显示参数的实际值；

6、以LED数码管实现显示；

7、将温度检测值与给定值进行比较，得到偏差，将偏差经数字PID运算得到输出控制值，经D/A芯片进行D/A转换后输出控制电压或电流，以控制锅炉温度；

8、从P1口各引脚输出报警信号，点亮发光二极管，实现报警。

（三）基于工业以太网总线的直流（DC）电机调速系统设计

1．系统模型

典型的DC电机通过改变输入电压来改变电机在负载条件下的转动角速度。

以单片机控制系统核心部分，单片机主要完成采集数据并将数据送给PC机进行相应处理，电机转速信号的采集均由单片机系统自行完成，然后通过现场总线将转速信号实时地传送给PC机进行处理。

以工业以太网教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，模拟实现以现场总线为基础的直流（DC）电机调速系统设计。

利用功能模块输出电压变化，改变电机转速；电机的起、停控制由功能模块完成。

2．综合设计实现的基本功能

控制直流电机的启停、改变输入电压（0-10V）来改变电机转速，测量直流电机的转速。

3．综合设计的具体要求

（1）构建直流（DC）电机调速系统硬件框架，给出硬件系统的电路原理图。

（2）根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统性能设计。

（四）医疗激光器功率控制系统设计

设计任务：

1、利用51系列单片机实现对激光器发射功率的控制，以实现改变激光器发射功率等级的目的；

2、为达到配合LED或LCD和用户之间进行交互，完成键盘电路设计及程序设计；

3、为达到改变激光器的功率等级，完成数字电位器的驱动设计；

4、为实现检测激光器所在环境的温度，完成数字温度计如DS1820的程序设计；

5、为用以显示功率等级、定时参数以及温度变化等参数，完成口线方式驱动接口的程序设计；

6、达到高温报警及定时控制，完成报警单元的程序设计。

（五）基于组态的CAN总线温度控制系统设计

1．系统模型

基于CAN总线，构建分布式电烤箱温控系统，采用单片机、PC、控制软件编程技术，实现电烤箱温控系统设计。

以iCAN教学实验开发平台为基础，利用组态软件编写一上位机软件，实现以CAN总线为基础的热电偶温度检测模块与数字量输出模块的控制。

其中热电偶温度检测模块iCAN为只读数据，数字输出为可配置数据。

利用iCAN模块检测温度，通过数字输出通道来控制继电器开关，实现温度控制。

2．综合设计实现的基本功能

控制烤箱温度，量程范围0～100℃,超调量不超过5％。

3．综合设计的具体要求

（1）温度传感器选用J型热电偶；设计出温度检测的硬件控制系统，给出硬件系统的电路原理图。

（2）实现热电偶温度检测系统软件设计，，采用组态软件进行分布式电烤箱温度控制系统监控软件设计，完成系统整体集成，调试运行。

（六）单片机温湿度控制系统设计

温湿度是自然界中和人类打交道最多的两个物理参数，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温湿度的采集或控制都十分频繁和重要。

设计任务：

（1）显示部分的第1到4位数码管显示出温度值，分辨率为0.01度，2位小数，如38.01度。

（2）可以用按键设置温度报警值。

测量温度到了设定温度后，温度指示LED灯关掉，高于设定温度1度时报警LED灯打开，断电后能保存温度设定值。

（3）第5，6位数码管显示出湿度值，分辨率为1%H。

可以用按键设置湿度报警值，按1度增加，测量湿度到了设定值后，湿度指示LED灯关掉，高于设定湿度5度时报警LED灯打开，断电后能保存温度设定值。

（4）温度低于设定值时，输出加热控制信号；湿度大于设定值时，输出降湿控制信号。

（七）基于CAN总线的自动门控制系统设计

1．系统模型

以iCAN教学实验开发平台为基础，模拟实现自动门控系统的设计。

利用iCAN模块检测光电开关的信号及步进电机的起、停和方向控制，通过实验平台上的步进电机模拟电动门，光电开关信号来模拟实现人的进出。

利用组态软件编写一上位机软件，实现对光电开关的检测及电机的控制。

2．综合设计实现的基本功能

有人来到门前，门打开；人离开时，门自动关上；记录人数（最好是进出人数）。

3．综合设计的具体要求

（1）给出硬件系统的电路原理图

（2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。

（八）数字位置随动系统的设计

技术参数和设计任务：

1、利用51系列单片机实现对全数字位置随动系统的控制；

2、数字键输入PID参数和阶跃给定值的大小；

3、功能键作为PID参数和阶跃给定值的写入命令及点动和复位信号；

4、主电路采用三相零式反并联接法，实现直流伺服电机的可逆运行；

5、位置检测采用光电码盘位置信号转换为与转角成比例的双时钟脉冲，经电平变换和鉴相后，驱动双时钟输入的可逆计数器；

6、为防止干扰进入计算机并完成电平匹配和旋转方向鉴别，加入光电隔离和鉴相电路；

7、为实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，本设计采用了积分分离式的PID控制算法。

（九）基于组态的十字路口交通信号灯系统设计

1．系统模型

自选控制器，构建交通灯信号系统。

利用组态软件编写一上位机软件，实现对交通灯系统的控制和故障报警。

2．十字路口交通信号灯的控制要求：

●双向六车道十字交叉路口

●东西方向为主干道，南北为辅道，双向各设直行、左转以及右转指示三盏灯，路口添加行人过路信号和声音指示；

●东西方向红灯60秒，黄灯5秒，绿灯120秒；

●东西方向红灯60秒，黄灯5秒，左转灯绿60秒；

●南北方向红灯120秒，黄灯5秒，左转灯绿40秒；

●东西方向绿灯，左转车辆红灯时，行人过路信号指示等和声音指示。

●南北方向绿灯，左转车辆红灯时，行人过路信号指示等和声音指示。

3．综合设计的具体要求

（1）给出硬件系统的电路原理图

（2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。

（十）基于单片机的供水控制系统设计

设计任务：

1、主要技术指标及特点：

1）水泵电机功率：

0.75KW～315KW。

2）额定电压、频率：

三相380V，50/60Hz。

电压允许变动范围：

320V～460V。

3）保护电路具备过电流、过电压、欠电压和过热短路；

2、绘出系统结构图及分析工作原理，通过分析控制对象完成文字表述总体设计方案及各种工作状态的控制方式；

3、应完成系统中的自动工作方式、手动工作方式的状态流程图设计；

4、设计应包括硬件和软件两大部分，硬件部分完成主电路、驱动控制电路及单片机的I/O接口电路的设计，软件部分完成程序的编写，主要包括：

主程序模块、自动及手动工作方式程序模块、定时程序和中断服务程序模块。

（十一）基于组态的花式喷水池装置设计

1．系统模型

自选控制器，构建花式喷水池装置。

利用组态软件编写一上位机软件，实现对花式喷水池的控制和故障报警。

2．控制要求

●  水池控制电源开关接通后，按下起动按钮，喷水装置即开始工作。

按下停止按钮，则停止喷水。

工作方式由“选择开关”和“单步/连续”开关来决定。

●“单步/连续”开关在单步位置时，喷水池只运行一个循环；在连续位置时，喷水池反复循环运行。

● 选择开关用以选择喷水池的喷水花样，1～4号喷水管的工作方式选择如下：

a）选择开关在位置“1”：

按下起动按钮后，1号喷水，延时2s，2号喷水，再延时2s，3号喷水，再延时2s，4号喷水，再延时2s，一起喷水，15s为一个循环。

b）选择开关在位置“2”：

按下起动按钮后，4号喷水，延时2s，3号喷水，再延时2s，2号喷水，再延时2s，1号喷水，再延时2s，一起喷水，30s为一个循环。

c）选择开关在位置“3”：

按下起动按钮后，1、3号同时喷水，延时2s后，2、4号同时喷水，1、3号停止喷水；交替运行5次后，再1～4号全部喷水，30s为一个循环。

d）选择开关在位置“4”：

按下起动按钮后，喷水池1～4号水管的工作顺序为：

1→2→3→4按顺序延时2s喷水，然后一起喷水3s后，1、2、3和4号水管分别延时2s停水，再等待1s，由4→3→2→1反序分别延时2s喷水，然后再一起喷水，30s为一个循环。

●不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷水池立即停止工作，所有继电器、存储器均复位。

3．综合设计的具体要求

（1）给出硬件系统的电路原理图

（2）对整个系统进行构建，根据系统设计要求实现的功能利用组态软件进行系统功能设计。

三、推荐参考文献

[1]于洋.《测控系统网络化技术及应用》，机械工业出版社

[2]李正军.《计算机测控系统设计与应用》，机械工业出版社

[3]李江全.《计算机测控系统设计与编程实现》，电子工业出版社

[4]周立功主编.《工业以太网系统教程》

[5]周立功主编.《iCAN教学实验开发平台实验指导》

四、时间安排：

第17-18周

序号

时间（天）

内容安排

1

0.5

布置课程设计任务

2

1

系统总体方案设计

3

0.5

硬件系统搭建

4

3

程序设计

4

2

调试

5

2

书写设计报告

6

1

答辩

五、课程设计报告写作要求

1、封面

2、内容提要

3、目录

4、正文

（1）概述：

本题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

（2）系统工作原理，设计流程及描述，设计步骤；

（3）程序代码、实验仿真结果。

5、课程设计体会

6、参考文献

六、原理图基本绘制要求

1、Protel/Altium绘制，图纸篇幅设置为A3；

2、电路各部分按功能分区：

如电源、信号调理、信号采样、人机接口等；

3、按顺序标号并给出元件参数；

4、比例适当；

5、连线设计规范美观；

七、软件流程图设计

1、总体流程图；

2、单片机类：

程序流程图设计及关键子程序源代码设计；

3、工业测控类：

程序流程图及组态设计界面。

八、考核办法及成绩

1、图纸质量——30%；

2、说明书质量——30%；

3、答辩表现——20%；

4、出勤及纪律——20%；

YanChengInstituteofTechnology

课程设计说明书

课程名称

设计题目

专业

学生姓名

班级

学号

完成日期

盐城工学院电气学院

盐城工学院电气学院课程设计任务书

姓名：

院（系）：

专业：

班号：

任务起至日期：

年月日至年月日

课程设计题目：

已知技术参数和设计要求：

预期设计效果：

工作计划安排：

同组设计者及分工：

成绩评定：

_____________指导教师签字：

______

年月日