武漢華夏理工學院
資訊工程課程設計報告書
課程名稱計算機控制技術課程設計
課程設計總評成績
學生姓名、學號
學生專業班級自動化1142
指導教師姓名李文彥
課程設計起止日期 2017. 06.12-2016-6.23
課程設計基本要求
課程設計是工科學生十分重要的實踐教學環節，通過課程設計，培養學生綜合運用先修課程的理論知識和專業技能，解決工程領域某一方面實際問題的能力。課程設計報告是科學**寫作的基礎，不僅可以培養和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規範課程設計教學要求、反映課程設計教學水平的重要依據。為了加強課程設計教學管理，提高課程設計教學質量，特擬定如下基本要求。
1. 課程設計教學一般可分為設計專案的選題、專案設計方案論證、專案設計結果分析、答辯等4個環節，每個環節都應有一定的考核要求和考核成績。
2. 課程設計專案的選題要符合本課程設計教學大綱的要求，該專案應能突出學生實踐能力、設計能力和創新能力的培養；該專案有一定的實用性，且學生通過努力在規定的時間內是可以完成的。課程設計專案名稱、目的及技術要求記錄於課程設計報告書
一、二項中，課程設計專案的選題考核成績佔10%左右。
3. 專案設計方案論證主要包括可行性設計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟體程式、硬體電路原理圖和pcb圖。專案設計方案論證內容記錄於課程設計報告書第三項中，專案設計方案論證主要考核設計方案的正確性、可行性和創新性，考核成績佔30%左右。
4. 專案設計結果分析主要包括專案設計與製作結果的工藝水平，專案測試效能指標的正確性和完整性，專案測試**現故障或錯誤原因的分析和處理方法。專案設計結果分析記錄於課程設計報告書第四項中，考核成績佔25%左右。
5. 學生在課程設計過程中應認真閱讀與本課程設計專案相關的文獻，培養自己的閱讀興趣和習慣，藉以啟發自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄於課程設計報告書第五項中，考核成績佔10%左右。
6. 答辯是課程設計中十分重要的環節，由課程設計指導教師向答辯學生提出2～3個問題，通過答辯可進一步了解學生對課程設計中理論知識和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績佔25%左右。
7.學生應在課程設計週內認真參加專案設計的各個環節，按時完成課程設計報告書交給課程設計指導教師評閱。課程設計指導教師應認真指導學生課程設計全過程，認真評閱學生的每乙份課程設計報告，給出課程設計綜合評閱意見和每乙個環節的評分成績（百分制），最後將百分制評分成績轉換為五級分制（優秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。
8. 課程設計報告書是實踐教學水平評估的重要資料，應按課程、班級整合存檔交實驗室統一管理。
課程設計任務書（八）
學生姓名專業班級： 自動化1142
指導教師： 李文彥工作單位： 資訊工程系
題目: 電加熱爐溫度控制系統設計（一）
初始條件：1、設計乙個微控制器電阻爐溫度控制系統，控制物件為電阻加熱爐功率為8kw，220v交流電源供電，利用大功率可控矽控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。溫度範圍50-350℃，控制精度為±1℃，通過led 顯示溫度，其物件溫控數學模型為其中td＝350秒， kd＝50，τ=10秒。
要求完成的主要任務:
1、硬體設計：設計系統總體電路，設計輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；
2、軟體設計：設計系統的總體程式程圖，編寫pid演算法程式，從鍵盤接受kp、ti、td、t；編寫顯示程式；
3、採用pid演算法，通過資料分析kp改變時對系統超調量的影響；在matlab/simulink上對控制演算法進行**；
4、**並除錯設計的部分硬體電路和軟體程式；
5、完成符合要求的課程設計說明書；
6、課程設計說明書要求：引言、設計要求、系統結構設計、原理分析、各個模組的設計與**、軟體設計、除錯過程、收穫、體會及總結、參考文獻、電路圖和源程式。說明書使用a4列印紙計算機列印或手寫，用protel等繪圖軟體繪製電子線路圖紙。
時間安排：
第1～2天下達課程設計任務書和日程安排，根據任務書查詢資料；
第3-4天完成方案論證比較，設計系統的總體結構；
第4～5天詳細設計系統的各部分的硬體電路；
第6～7天詳細總體軟體及各部分的程式流程，完成程式的編寫
第7～8天**並除錯設計的部分硬體電路和軟體程式；
第9～10天結果分析整理、撰寫課程設計報告，驗收和答辯。
指導教師簽名年月日
一、課程設計專案名稱
二、專案設計目的及技術要求
1、硬體設計：用51微控制器設計系統總體電路，設計輸入通道及輸出通道，分析的工作原理；
2、軟體設計：設計系統的總體程式程圖，編寫積分分離pid演算法程式，從鍵盤接受kp、ti、td、t及β的值；編寫顯示程式；
3、採用pid演算法，通過資料分析kp改變時對系統超調量的影響；在matlab/simulink上對控制演算法進行**；
4、**並除錯設計的部分硬體電路和軟體程式；
5、完成符合要求的課程設計說明書；
6、課程設計說明書要求：引言、設計要求、系統結構設計、原理分析、各個模組的設計與**、軟體設計、除錯過程、收穫、體會及總結、參考文獻、電路圖和源程式。說明書使用a4列印紙計算機列印或手寫，用protues等繪圖軟體繪製電子線路圖紙。
三、專案設計方案論證
3.1．方案論證比較
3.1.1.硬體選擇
微型計算機是指由微處理器加上採用大規模積體電路製成的程式儲存器和資料儲存器，以及輸入輸出裝置相連線的i/o介面電路，微型計算機簡稱mc。如果將微處理器、儲存器和輸入/輸出介面電路整合在一塊積體電路芯版上，稱為單片微型計算機，簡稱微控制器。
本次設計選用的是at89c51，是mcs-51微控制器系列的一種。其結構體系完整、指令系統功能完善、內部暫存器規範、效能優越、技術成熟、具有高可靠性和高價效比。
它提供以下標準功能：4k 位元組flash 閃速儲存器，節內部ram，32 個i/o 口線，兩個16位定時/計數器，乙個5向量兩級中斷結構，乙個全雙工序列通訊口，片內振盪器及時鐘電路。同時，at89c51可降至0hz的靜態邏輯操作，並支援兩種軟體可選的節電工作模式。
空閒方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數器，序列通訊口及中斷系統繼續工作。掉電方式儲存ram中的內容，但振盪器停止工作並禁止其它所有部件工作直到下乙個硬體復位。
3.1.2.演算法選擇
由於計算機控制是一種取樣控制，它只能根據取樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在計算機控制系統中，必須首先對式（3-1）進行離散化處理，用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表達。
對溫度的控制演算法，採用技術成熟的pid演算法，對於時間常數比較大的系統來說，其近似於連續變化，因此用數字pid完全可以得到比較好的控制效果。
簡單的比例調節器能夠反應很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調節器中殘存的靜差，在比例調節器的基礎上加入積分調節器，積分器的輸出值大小取決於對誤差的累積結果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調節器相當於能自動調節控制常量，消除靜差，使系統趨於穩定。積分器雖然能消除靜差，但使系統響應速度變慢。進一步改進調節器的方法是通過檢測訊號的變化率來預報誤差，並對誤差的變化作出響應，於是在pi調節器的基礎上再加上微分調節器，組成比例、積分、微分(pid)調節器，微分調節器的加入將有助於減小超調，克服振盪，使系統趨於穩定，同時加快了系統的穩定速度，縮短調整時間，從而改善了系統的動態效能，其控制規律為：
(3-2)
微控制器是一種取樣控制，它只能根據取樣時刻的誤差值計算控制變數，不能直接計算公式中的積分項和微分項，採用數值計算法逼近後，pid的調節規律可以通過數值公式
(3-3)
計算，如果取樣取得足夠小，這種逼近可相當準確，被控過程與連續過程十分接近。我們變換上式(3-3)得：
(3-4)
把△ei = ei - ei-1,△2 ei=△ei -△ei-1帶人上式（3-4）得：
(3-5)
式中ei=w—yi，w為設定值，yi為第i次實際輸出值，kp為比例係數，積分係數i=t/ti，微分係數d=td/t，t為取樣週期，以(3-5)式來程式設計比較方便。
用pid控制演算法實現溫度控制是這樣乙個反饋過程：比較實際溫度和設定爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制訊號，再去調節電加熱爐的加熱功率，從而實現對爐溫的控制，由於電阻爐一般都是下一階段物件和帶純滯後的一階物件，所以式中kp、kd和ki的選擇取決於電阻爐的響應特性和實際經驗。
本程式先將使用者設定溫度和鍋爐實際溫度t比較，計算出偏差ei，然後分兩種情況進行計算控制變數：
1．ei大於等於設定的偏差e時，由於積分控制器使系統響應速度變慢，不採用積分控制器調節，直接使用pd調節，獲得比較快的動態響應，計算pd和pp，最終得到控制量獲得比較快的動態響應。
2．ei小於設定的設定的偏差e時，正常的分別計算pi、pd和pp，然後根據演算法公式計算出控制變數。
3.2總體方案設計與原理分析
由於溫度控制系統的控制物件具有慣性大，連續性的特點。因而可以歸於具有純滯後的一階大慣性環節。一般來說，熱過程大多具有較大的滯後，它對任何訊號的響應都會推遲一段時間，使輸出與輸入之間產生相移。
對於這樣一些存在大的滯後特性的過渡過程控制，一般來說可以採用以下幾種控制方案：
3.2.1．輸出開關量控制
對於慣性較大的過程可以簡單地採用輸出開關量控制的方法。這種方法通過比較給定值與被控引數的偏差來控制輸出的狀態：開關或者通斷，因此控制過程十分簡單，也容易實現。
但由於輸出控制量只有兩種狀態，使被控引數在兩個方向上變化的速率均為最大，因此容易引起反饋迴路產生振盪，對自動控制系統會產生十分不利的影響，甚至會因為輸出開關的頻繁動作而不能滿足系統對控制精度的要求。因此，這種控制方案一般在大慣性系統對控制精度和動態特性要求不高的情況下採用。
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