嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究

摘要

论文根据天津大学实验教学改革的要求，致力于开发以自动控制原理为核心的多课程综合实验平台，为高等院校的测量和控制类相关专业提供实验教学设备。 经过课题组两年多的努力，已经设计了电动机转速和位置的模拟电路控制系统，并且投入01、02级本科生教学实验课使用，取得了很好的效果。但是，随着现代控制理论的发展，控制方式多种多样，为了使学生能够更好理解和掌握所学专业课程的知识，论文主要通过多信号源的数据采集，电机转速的开、闭环控制等环节，设计了嵌入式多功能数字控制系统。同时设计了功能强大的虚拟仪器软件和控制系统辅助分析设计软件，利用其与Matlab接口的特点进行各种综合实验，提高了实验教学效率。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1.通过实际考察和理论分析，确定了嵌入式多功能数字控制综合实验台的设计方案，涉及到多种类型传感器信号放大、电路信号调理、控制算法编程及执行功率驱动放大等技术。 2.完成嵌入式多功能数字控制综合实验台的硬件电路的设计，开发出能接收旋转编码器、测速电机、热电偶、热电阻、压力传感、0-5V、-5V-+5V、4-20mA等信号的高兼容电路，以及后续放大，A/D转换电路和电机转速开、闭环控制方案。 3.设计了单片机和计算机综合控制方案。完成了增量式数字PID控制算法的实现；完成了基于RS232串口的计算机多功能控制台虚拟仪器程序；最后通过MATCOM完成了虚拟仪器软件与Matlab接口等功能，实现了系统的总体性能要求。 4.根据《传感器》、《测控电路》、《单片机》和《自动控制原理》等课程的实验教学要求，设计了多种传感器信号采集实验、线性系统时域分析实验、电压信号的数字PID校正实验和电动机转速开、闭环控制实验。使学生能够更深刻更全面地掌握理论知识。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2测控类实验教学仪器的发展动态

1.2.1基于硬件模拟的实验教学仪器

1.2.2基于计算机软件仿真的计算机教学系统

1.2.3软硬件结合的多功能教学实验仪器

1.3数字控制系统的介绍

1.3.1数字控制系统的组成与功能

1.3.2数字控制系统的特点

1.4课题的研究目的及主要内容

第二章嵌入式多功能数字控制综合实验台的理论分析

2.1数字控制系统的组成和实现原理

2.1.1数字控制系统的硬件组成部分

2.1.2数字控制系统的软件控制部分

2.1.3数字控制系统的实现原理

2.2基于ATmega128的数字控制数字控制实验仪的组成及实现原理

2.2.1系统的结构框图

2.2.2系统前向通道的数学模型

2.2.3数字PID控制器的数学模型

2.2.4系统后向通道数学模型

2.3本章小结

第三章嵌入式多功能数字控制综合实验台的硬件电路分析

3.1外部基准电压产生电路

3.2温度、压力传感器信号调理电路

3.2.1热电偶传感器信号转换电路

3.2.2热电阻传感器信号转换电路

3.2.3压阻式压力传感器信号转换电路

3.2.4后续放大电路和滤波电路

3.3标准模拟信号调理电路

3.3.1 0-5V和-5V-+5V标准电压信号调理电路

3.3.2 4-20mA标准电流信号调理电路

3.4基于ATmega128的最小系统电路分析

3.5系统DAC接口电路分析

3.6 USB接口电路分析

3.7光电编码器信号检测电路及PWM信号输出电路分析

3.8本章小结

第四章基于嵌入式系统和计算机的数字控制方案实现

4.1模拟传感器信号采集方案的设计

4.1.1传感器模拟输出信号采集方案的实现

4.1.2数字信号滤波处理的实现

4.2 M/T测速方案的实现

4.2.1增量式编码器的工作原理

4.2.2测速方案的实现原理

4.3数字增量式PID控制算法的实现

4.4基于VC++与Matlab混合编程的虚拟仪器的设计

4.4.1 Matlab与VC++的特点

4.4.2 Matlab与VC++混合编程的方法

4.4.3 MATCOM转换法

4.5本章小结

第五章嵌入式多功能数字控制综合实验台的综合实验

5.1多信号源信号调理与数据采集实验

5.2线性系统的时域分析实验

5.3电压信号闭环PID控制实验

5.4电机转速开环控制实验

5.5电机转速闭环控制实验(带PID校正)

5.6本章小结

全文总结与展望

附录

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢