计算机控制系统实验设备研制分析研究计算机专业.doc

摘 要 计算机控制系统是很重要的一门课程，其中实验部分尤其重要。本文首先分析选择了有关的实验内容，并介绍分析了对应的控制算法，完成了有关算法的离散化，设计了相关的c语言程序。 设计了以AT89c51单片机芯片作为核心的数字控制器，数模转换模块，模数转换模块，以及被控对象的计算机控制系统的实验装置。并利用Proteus仿真验证了各个实验装置的可行性以及正确性，并完成了相关数字控制算法的对应的c语言程序。并完成了装置的硬件电路设计。 关键词：计算机控制系统；实验装置；Proteus仿真；硬件电路设计 1 绪论 1.1计算机控制系统课程介绍 《计算机控制系统》是工业自动化专业的主干必修的课程之一，是一门重中之重的专业基础课。其内容一方面承接了《自动控制原理》的各种连续系统的时域分析频域分析动态性能和稳定性分析，介绍了离散后的系统的各种性能分析，侧重讲解了在对于控制原理中方法的进行离散化过程。另一方面讲解了实际的计算机控制系统的设计原理和方法，可以通过将连续的控制器离散化或者直接离散域设计。并且课程中讲解了设计计算机控制系统的基础知识，使对计算机控制系统的知识包括动态性和稳定性的有关分析有所了解。再次基础上进一步讲解适用于不同场合的数字器控制算法，使其了解到应用于是实际场合的计算机算法Error! Reference source not found.。 计算机控制系统多用在工业控制的现场中，由于其可靠性抗干扰性比传统的模拟连续控制高，适应性高，系统的扩充性高允许灵活的增添新的控制方法，因此的到了广泛的应用Error! Reference source not found.。因此我们自动化专业的同学在今后投身工作是必须要掌握这门课程的主要内容，学习相关的控制思想和如何搭建实际的控制系统，因此这门与实际紧密联系的课程的实验尤其重要。 课程实验目前包括如下内容：D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验另外还提供了直流电机和炉温控制系统两个控制对象实验。其中数模转换和模数转换实验是其余实验的基础实验，是每个实验都会涉及的内容，是计算机控制的基础性实验Error! Reference source not found.。后面的数字PID实验是对模拟的PID进行了离散化的处理后的得到的数字控制器，PID在实际工业控制中有着广泛的应用。大林算法和最小拍控制主要是学习这两种控制方法的控制思想。最后的直流电机和炉温控制主要是加深对实际存在的被控对象的控制的理解。 1.2计算机控制实验设备研究意义 计算机控制系统是电气工程及其自动化等专业的一门重要的必修专业课程，主要讲述了计算机控制系统的基本结构原理，计算机控制系统的数学描述及数字控制器的设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径，该课程理论和实际结合要求较强，因此实验课程是该课程的重要的组成部分。 目前使用的硬件类型的计算机控制技术实验箱中，大部分的实验对象都是使用放大器、电容、电阻等结构和常见的电气元件组成。此类实验台存在的最明显的缺点是开设实验项目灵活性差，并且实验箱维护成本高，而且容易因为学生在实验前往往准备不充分导致频繁的错误操作，使得实验效率低下并会造成实验平台很容易损坏。在我们当时完成课程的相关实验室，就遇到过由于放大器损坏导致始终得不到实验结果的情况。 作为高校自动化及相关专业类的学生，如果不能很好地掌握“计算机控制系统”课程传授的设计技术和应用技术，如果不能很好理解掌握有关的控制思想，不懂计算机控制系统的原理与方法，不会实现相关的数字算法的程序，就难以适应毕业后工程设计实践的需要。因此，必须加强动手操作实践能力的培养和训练，以加深对该课程内容的掌握和理解，对培养具有工程实践能力的人才，具有十分重要意义Error! Reference source not found.。 1.3国内外研究现状 几年来随着高等工科学校教育改革的深入，对我们提出了越来越高的要求，要求当代的实用型人才以及研究型人才都需要具有一定的工程设计的综合能力和创新能力。为此，作为将来从事控制领域以及相关的工程技术人员，在掌握基本的计算机控制理论或者控制器设计方法的同时，必须通过较完整的实验教学的训练与考核，使其具备针对实际计算机控制系统的分析设计以及系统调试等综合能力，具有根据实际情况出发的工程设计思维。因此需要给学生提供一个合适的综合实验平台,以便进行系统而且有效的计算机控制的系统设计以及系统调试的完整流程的训练。现如今已进入网络时代，并且随着物联网的快速发展，工业自动化控制开始向嵌入式的灵活化以及远程的网络化方向迅猛发展,实现网络化控制正逐步成为现代化生产的要求和标志，这又对实验平台从技术上提出了具备嵌入式和网络化的要求。 首先是利用软件实现，目的是在所选用的硬件基础上实现所设计的控制规律。因此控制软件实现平台的基础是首要选用硬件实现平台。目前所选定的硬件平台有以下几种： 首先是单片机实验平台。提供采用的单片机仿真器和用户接口调理电路板，可以与选用的实验设备构建成简单控制实验系统，来给学生提供学习有关的数字控制器设计，数字控制器输出控制信号，控制实现所需的控制目的的实验平台。或者是类似的DSP实验平台。基于DSP的仿真器和DSP控制回路模块，可以与选用的实验设备构建成控制实验系统，DSP的优良性能优于单片机的使用，不仅仅可以以供学生进行数字控制系统设计和系统算法的参数调试，或者实现简单闭环系统的控制。并且利用DSP的优点可以用来构成远程数据采集系统、现场总线控制系统。 嵌入式系统平台，提供通用的ARM架构微处理器和基于开放源代码的系统内核的实验平台，利用相关的实验设备作为被控对象，设计所需要的数字控制器的程序，来构成比较完整的控制系统，既可以进行简单闭环系统的控制，也可以用来构成远程数据采集系统、现场总线控制系统。微机平台。利用微机作为控制器与实际工业控制领域中广泛采用的工控机的控制方法类似，例如提供模拟转换接口板和有关的通讯接线，并利用相关的实验设备作为被控对象，构成比较完整的控制系统。既可以进行简单闭环系统的控制完成简单的算法实验，也可以用来构成远程数据采集系统或者搭建现场总线控制系统，用来搭建远程的控制系统，学习有关的通信知识。选用这四种硬件平台的出发点是,既包括了比较典型的控制系统的应用环境包括单片机、微机或工控机并且提供了嵌入式控制系统的有关使用，以及典型的DSP嵌入式控制系统的应用平台。Error! Reference source not found.既突出了实用性,又强调了先进性。 可以极大调动学习和运用所学学习的知识的兴趣，并熟悉使用掌握先进的有关技术。近些年来的，各个工科高校逐步建设设计搭建了自己的计算机系统综合实验平台，通过逐步完善的教学和实验证明了计算机控制系统的总和实验平台符合计算机控制及其最新的发展的工程应用特点，培养了学生的各个方面的能力。实验平台的创新性，和综合性符合对提高学生各方面综合素养的要求。 1.4课题的主要任务 本课题主要研究以下几个方面内容：第一，选择了需要设计的计算机控制系统的实验，包括D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、、大林算法实验、最小拍控制实验。第二，设计了实验需要的相关硬件系统，包括单片机控制模块，A/D采样和D/A转化模块，以及放大器构成的实际被控对象。第三，完成了相关实验c语言程序的设计，完成了各个模块的使用程序，和有关的数字控制器的程序，并通过Proteus进行了相关仿真验证。 文中展示的图片和对应的曲线以及数字控制器的相关陈旭都是通过电路仿真的道德，在可视性与准确性都得到了验证。可以通过对实验各部分的操作，完成有关理论算法和实验结果的验证，加强了对理论知识的理解和实际的认识。并提供了有关的理论方面的公式计算以及分析。 1.5仿真软件的介绍 Proteus 是 Labcenter electronics 公司出版的Electronics Design Automation软件。它可以用来完成对模拟电路、数字电路及各种微处理器以及单片机的进行实时的仿真，并通过搭建外围电路，可以完美的完成用户的需求，设计所需要的控制电路以及搭建被控对象的仿真模型。并提供了 Laplace primitives 库，库里面包含了计算机控制系统中的以及自动控制原理中的各种模型，例如各种经典环节包括一阶惯性环节，积分环节，微分环节等、以及运算操作例如比较环节、一阶和二阶模型 、线性和非线性控制器包括死区，饱和模块等。通过 Laplace primitives 可以十分方便的搭建所需的被控对象。并且最重要的是Proteus提供的图表功能，还可以对不同的输入与控制信号以及输出信号进行响应曲线的绘制，方便用户分析动态性能和稳态性能。Error! Reference source not found. 。 目前支持的Proteus支持的编译器有Keil，因此使用了Keil完成了这次有关的数字控制器的C语言程序的设计。在Proteus软件中还可以通过搭建外围电路来实时查看电路多种调试信息，各部分的输出电压的信息。并且由于Proteus的大量的元件库支持大型设计,而且还可以在仿真中随时观察各元件的工作状态，如果有错的情况，可以计时修改电路，或者修改源程序。先通过Proteus进行电路仿真,再搭建相应的硬件电路完成硬件设计，这种方式可以减小系统的错误导致的成本损失，因此非常合理适合目前的使用情况。 用来完成本次的电路原理图设计和绘制的软件是Altium DesignerError! Reference source not found.。该软件是由Altium公司推出的用于电子设计的综合设计软件，也是开发原Protel软件的开发商，其功能非常强大。在本设计中将使用AD10完成相关各部分电路原理图的绘制，绘制时需要使用的电器元件以及各种芯片可以在强大的元件库中直接导入，如果没有对应的元件，也可以利用元器件设计，自己绘制相关的电器元件。 23 2 实验系统的设计方案 2 实验系统的设计方案 2.1 系统的总体结构 计算机控制系统是一个同时存在着模拟信号和数字信号的系统，数字信号存在于计算机的数字控制器部分，其余部分大多数是模拟信号，也有直接使用数字信号进行控制的系统。模拟信号存在与被控对象的控制和输出以及检测部分，通过A/D转换将输出信号变为数字信号返回数字控制器（即计算机）中，并与输入信号的数字量比较的到偏差量，应用不同的算法对偏差量计算得到相应的数字控制量，在通过D/A转换模块输出离散的模拟的控制量，之后通过保持器得到连续的模拟控制量。 系统的主要任务就是完成相关数字控制的算法以及搭建相关的被控对象环节。数字控制算法用c语言完成并比利用数模转化模块实现输出Error! Reference source not found.。 r（t） y（t） 被控对象 执行机构 D/A 转换器 数字控制器 采样开关 A/D 检测变送 因此实验系统应该包括，数字控制器，D/A模块，被控对象模块，检测变送模块，A/D模块。核心部分是完成利用单片机设计数字控制器的算法程序。系统的输入信号通过程序内输入，输出可以利用Proteus仿真输出或者实物电路图可以利用示波器对波形进行观察。 2.2数字控制器设计概述 计算机控制系统的数字控制器就是利用计算机程序设计完成的用来实现实际控制效果相关的算法。单片机是集成到一块芯片上的小而完善的微型计算机系统，因此单片机可以完成相关任务，并且单片机在在工业控制领域大放异彩，在各种工业控制的场合和领域应用广泛。因此在设计本实验系统中，为了方便实验设备的制造以及仿真的验证，采用了单片机作为数字控制器Error! Reference source not found.。 数字控制器处理的是数字