基于CPLD的温度自动控制系统的研制

2 温度自动控制系统的软件设计

温度自动控制系统的软件算法通常是根据对象的纯滞后时间τ与对象的惯性时间常数Tm之比来确定,一般来说,当τ/Tmm>0.5时，可采用达林算法控制。在本系统中,针对不同的被控对象，可加载不同的软件算法，因此大大提高了本控制系统的灵活性。由于在工业控制过程中,大量的被控对象具有非线性、纯滞后性，采用PID控制很难获得良好的控制性能，因此本文重点讨论达林算法，用它来控制非线性、纯滞后对象具有良好的效果（被控对象一般为带有滞后的一阶惯性环节）。

2.1 dahlin算法的数学模型

被控对象为带有滞后的一阶惯性环节，其传递函数为


，θ＝NT （2－1）

式中：

τ1 -----对象的时间参数
θ -----对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。
K -----对象放大系数

达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ（s），相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即

Φ（s）＝

，θ＝NT （2－2）

如图6所示，根据控制理论易得到带有一阶惯性对象的达林算法的基本形式：


×

（2－3）

式中：
K -----对象放大系数
T ------ 为采样周期；
τ1 ------为被控对象时间参数；
τ ------为闭环系统的时间参数。

根据D(Z)＝U(Z)/E(Z)得出差分方程：

U(K)＝b1U(K-1)+b2U(K-N-1)+a0E(K)-a1E(K-1) (2－4)

其中










图6 控制系统方框图

2.2 dahlin算法参数的整定

（1）由系统的飞升曲线（如图7）确定对象的纯滞后时间参数θ和被控对象的时间参数τ1。



图7 被控对象的飞升曲线

（2）综合控制精度、超调量等指标选取合适的采样周期T。若T偏大，则取样稀疏，单位时间内控制点过少，势必造成较大的过冲量以及系统控制误差；若T偏小，则对采样量化字长要求过高，对于有限字长的控制系统过密的采样周期会使系统控制失败。

（3）由N=θ/T确定N值。

（4）对象放大系数K的确定。K可由下列公式确定：



（5）τ一般与T取同量级，不断调整τ值，观察系统的响应图，使得闭环系统的指标达到最佳。

3 系统应用

从该温度自动控制系统的软硬件构成可以看出，这种设计具有比较好的开放性，便于在软硬件方面进行功能扩展和重新配置，同时应用系统的构造也比较灵活。由于采用了高容量低成本的CPLD器件 MAX7128,将本系统的控制部分的核心电路的硬件资源进行了整合集成，提高了系统硬件的可靠性。针对不同的控制对象，只要适当的改变一下前端的信号处理电路，并采用满足要求的控制算法，即可胜任面对各种对象的控制任务。因此系统具备结构开放、性能可靠、灵活方便等特点，可以灵活地胜任不同对象的温度自动控制任务。