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1、.温度控制系统一、实验目的1掌握微机应用系统的硬件结构、组成、配置与综合调试技能。2掌握温度测量、数字PID控制及功率放大的基本原理和实现方法。3了解和熟悉完整的数据采集与控制系统的设计方法。二、实验内容与要求1基本要求用一电炉加热器皿中的水，目标温度在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整使水温保持在设定值，温度误差要求1。采集到的温度值以十进制数数码实时显示，2提高要求 （1）在CRT上实时绘出温度变化曲线。（2）软件实现调功控制功能模块。三、实验报告要求（1） 实验目的和内容（2） 总体设计（3） 硬件设计：原理图（接线图）及简要说明（4） 程序框图和清单（5） 实验结果
2、和体会附：功放板和电炉接线原理图温度控制系统一、总体设计(1)前向通道：采用AD590作温度传感器，双积分式A/D芯片MC14433提高抗干扰性。(2)后向通道：直接数字控制的周波数调功方式实现有特色的功率放大单元。(3)8253实现定时数据采集和控制量输出。软件实现分段PI控制算法，以获得较好的温度控制性能。二、硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。LED显示CPU80386在屏幕上显示控制曲线8255MC14433MC1403AD590信号放大调理数字比较器77774LS688模256计
3、数器MOC3061可控硅电炉脉宽转换电路 2 3 1 5 4 水 220v 图1 系统原理框图下面将具体介绍这几个模块。 1信号转换及调理电路 信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。具体电路参见图2。 R1 R2 VOUT R3 R4 图2 数据采集模块其中AD590是一种二端式的集成温度传感器，以TO-2形式封装如图3所示,主要技术参数如下: 图 3 AD590外引脚 1）测温范围为-55+150C 2）工作电压为+4+30V,由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器,只要在其二端加上一定工作电压,则其输出电流随温度变化而变化,其线性电流输出为1uA/K；它以
4、热力学温度零点作为零输出点。其温度电流曲线见图4。3）精度：经过激光平衡调整，AD590校准精度可达0.5C,在全温区范围内,线性度可达0.3C(AD590M), 精度可达1C。由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机远距离温度测量和控制.远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路；由于以上独特优点，AD590在温度测控领域中得到广泛的应用。 A/D转换器采用MC14433，要求采样输入电压幅值为02V可变，对应的温度变化范围为0100C，由图2可计算
5、出R1和R3+R4得数值。 2数据采集模块 通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。本控制系统A/D转换器采用高精度的MC14433，图5为MC14433的典型电路图。MC14433是三位半十进制(即11位二进制数)的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz,它无控制启停信号，一旦上电，就不断地转换。转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS1、DS2、DS3、DS4输出高电平是相对应,由于它们无三态特性,不可与PC机直接相连,因此要通过并行接口芯片相连接。又因为MC14433无内部参考电压源,因此利用
6、低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考电压。0图 5 数据采集模块 3数据显示模块PC机将采集到的温度值经处理后送往LED数码管上显示，并在屏幕上打印出控制曲线。这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装置上本模块提供了六个LED数码管，CPU通过两个端口来驱动LED数码管，分别为段输出选通端和位选通端，具体实现电路可参见PC微机总线接口实验指导书。数据的输出显示采用动态扫描方式，利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示。 4脉宽调制控制及驱动电路 脉宽调制控制及驱动部分的原理图（图中包括执行机构部分）如下：图 6 脉宽调制控制及驱动电路原理图本电路用于完成反馈控制
7、的功能，利用PC机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变后级电路的导通与截止比来改变占空比。图上所示各点的波形具体体现了本电路的工作过程。 以下对本电路所用的重要元器件作简单介绍。数字比较器74LS688(见图7)图7 数字比较器74LS688其中1脚为使能控制信号,低电平有效,P0-P7为数据A输入,Q0-Q7为数据B输入，当A=B时，19脚输出为低电平，否则一直为高电平。光电耦合器MOC3061（见图8）MOC3
8、061是一种内含过零检测电路的光电耦合器，它可以作为双向晶闸管的触发电路。MOC3061的输出端的额定电压是600V，最大重复浪涌电流为1A，最大电压上升率dv/dt为1000V/us以上，一般可达2000V/us，输入输出隔离电压大于7500V，输入控制电流为15mA。6 5 41 2 3 主端 衬底 主端 阴极 阳极 空 图 8 光电耦合器管脚图5执行机构用经过驱动电路输出的放大的脉冲信号控制可控硅的通断，对电炉的功率进行PWM控制，达到对水温的自动控制。这部分电路比较简单，由双向可控硅（晶闸管）及电路组成，见图6所示。晶闸管一旦触发，管子就导通，把控制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只
9、有当阳极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。不过双向可控硅则无所谓阴、阳极。本电路可控硅采用BT138 600E，见图9。 T1：主端子 T2：主端子 G： 门极 T1 T2 G 图9 双向晶闸管BT138 600E三、软件设计1 确定控制算法和参数根据被控对象及基本设计要求，自动控制系统设计需进行大量的计算分析，要保证系统良好的性能又要满足给定的技术要求，在此过程中，可采用理论指导，结合实测数据，确定控制算法。对于水温系统的建模，可近似地认为“纯滞后+一阶惯性”环节，进行实验时先测出开环曲线，对于一阶惯性环节对象，往往采用PID控制算法，控制效果较好。PID控制表示比例(proportio
10、nal)积分(integral)微分(differential)控制。PID调节器如图10所示。KpKi/SKd*S E(S) U(S)图10 PID调节器调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下:u(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Td*de(t)/dt 式(1)其中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。在计算机控制系统中使用的是数字PID调节，就是对式（1）进行离散化,离散化时,令u(t)u(kT) e(t)e(kT) e(t)Te(jT) de(t)/dte(kT)e(kTT)/T式中T是采样周期,显然,上述周期T必须足够短,才能保证有足够的精度。因此数字
11、PID调节器，表达式如下：u(kT)=Kpe(kT)+T/Tie(jT)+Td/Te(Kd)e(KtT) 式(2)由控制理论可知：离散化采样频率越高，采样后失去的信息越少，相应的控制性能也越好。但由于水温是一个慢变信号，进行PID算法控制时，若采样频率过高，相邻两次采样信号差距很小，将会失去PID控制的优势，因此确定采样频率为1/15HZ，即15S进行一次PID算法。在反馈控制部分的软件程序设计上主要采用PID控制算法，但由于过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分分离的PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使
12、控制性能有较大的改善。在本系统的实际控制中，微分作用的改善不是很明显，因此，在软件编制时可不加微分调节。一般来说,从A/D转化器中读出数据,可以有四种工作方式:中断方式、查询方式、定时方式和延时方式。考虑到水温是一个慢变的信号，可以每秒进行一次数据采样，而MC14433的转换速率为410HZ，且无控制启停的信号，一旦上电就不断地进行模数转换。因此，本系统决定采用定时方式读取数据，利用可编程定时/计数器8253来进行定时1秒，8253工作于方式0（记数结束中断方式），当写入控制字，OUT输出端立即变成低电平，当计数值到达0时，才变成高电平，因此计数结束时OUT信号的上跳变可作为中断请求信号，通过
13、8259向CPU申请中断，在中断子程序中用查询方式去采集数据，于是实现一秒采集一次数据的功能。（计数时钟频率3MHZ/64，计数值为0B71BH，计数值与频率的乘积为一秒）。因此本实验的软件设计包括主程序与中断子程序的编制。其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能，子程序完成读取A/D转换值、数字滤波、PID控制算法等功能。在程序编制时应提供一个简单的人机界面。2程序框图 如图11 主程序：开始初始化段寄存器开中断显示提示字符:Press 1 to contune Press 2 to quit to DOS Press any other key return to main menu并等待输入字符1 吗? 否2吗?
