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1、全套设计淮海工学院毕业设计（论文）说明书题 目：一种基于smith预估器的温度控制系统作者：学号：系（院）：电子工程系专业班级：电子023班指导者： （姓名）（专业技术职务）评阅者：（姓名）（专业技术职务）2006年 6月 连云港毕业设计（论文）中文摘要一种基于smith预估器的温控系统摘要：随着生产过程控制要求的不断提高以及控制理论与控制技术的不断发展和进步， 自动化工作者不断开发出许多适应新的生产形势的控制系统。这里把他们归结为一类，称 之为新型控制系统。Smith预测控制就是其中一种，它能有效的解决控制系统中控制通道 的纯滞后问题，减少超调量并加速调节过程。针对电加热炉温度控制系统的大时
2、滞问题，提出了一种Smith预佑控制器的设计方法，并 由8086微机系统实现。认为该方法能有效克服大纯滞后对控制系统稳定性的影响。计算 机仿真与实验研究表明，其控制效果明显优于常规PID控制，非常适用于电加热炉的温度 控制。关键词：Smith预佑器温度控制微机电热炉毕业设计（论文）外文摘要A kind of temperature control system based on Smith predictAbstract: Along with the unceasing development of the unceasing raising of production course as
3、well as control theoretical and control technology, automation worker development a lot of control systems that meet new production situation, we call them a kind of new control system. It is in which a kind of that Smith predict, it can be effective to solve the pure hysteresis problem of control p
4、assageway in control system, decreases the exceed tunequantity and accelerate regulation course.Aiming at the large delay in temperature control system of Resistance stove,Puts forwards A design mith predicting controller, realized by an 8086 micro-computer system. Holds that by this way the influen
5、ce of the large pure delay on the system stability can be overcome. Computer simulation and experiment research show that it is very suitable for temperature control of heat exchangers with better effects than conventional PID control.Keywords: Smith predict temperature control; micro-computer;Elect
6、rothermal stove .1. 绪论12. Smith 预估器的设计12.1电热炉一般控制系统12.2 smith 预估器的控制原理23. 温度控制系统组成框图34. 温度控制系统结构图及总述35. 温度控制系统硬件与其详细功能介绍35.1微型计算机的选择35.2 SCR触发回路和主回路45.3热电偶的选择45.4 420mA 变送器 XTR10155.5 I/V 转换器 RCV42055.6 A/D 转换器 ADC080955.7定时计数器825365.8 LED数码管驱动芯片ICM7218A65.9可编程并行I/O接口芯片82C55A75.10硬件地址分配列表8.6. 温度控制系统
7、软件设计86.1温度控制系统软件结构图86.2总体流程图96.3 模块程序流程图106.3.1数字滤波106.3.2工程量变换程序模块106.3.3温度非线性转换程序模块116.4源程序137. 芯片资料197.18086CPU197.2定时计数器8253207.3 可编程并行I/O接口芯片82C55A217.4 LED数码管驱动芯片ICM7218A217.5 420mA 变送器 XTR101227.6 I/V 转换器 RCV420227.7 A/D 转换器 ADC0809237.8 OC 门 74LS06248. 详细电路原理图25总结26致谢27参考资料281绪论温度是工业生产中常见的工艺
8、参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切 相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控 制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各 类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、 电等；控制方案有直接数字控制(DDC),推断控制，预测控制，模糊控制(Fuzzy),专 家控制(Expert Control),鲁棒控制(Robust Control),推理控制等。本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内 的温度。控温范围为100-500C,所采用的控制方案
9、为预测控制控制中的smith预估控制。 对加热炉进行控制，使其温度稳定在在某一个值上。并且具有键盘输入温度给定值，LED 数码管显示温度值和温度达到极限时提醒操作人员注意的功能。2 Smith预估器的设计2. 1电热炉一般温控系统根据电加热炉的结构及一般热力学原理，可得被控对象传递函数的近似表达式为(1)G(s)=亍,严=Go($)eF式中Gp(s)对象的传递函数；K对象的放大系数；T对象的时间常数；r 对象的纯时间滞后；Go(s)对象传递函数中不含纯滞后的部分。可以看出，它是一个带纯滞后的一阶惯性环节，一般的温控系统如图3所示。图3 般温控系统方框图图中R(s)为参考输入，C(s)为系统输出
10、，Gc(s)为控制器传递函数，Go(s) c c为被 控对象的传递函数，F为系统外扰。从图3可以得出电加热炉一般温控系统闭环传递函数为：G(s)=Gc($)G(s)e_Ei+G、a)G(s)e-(2)由于特征方程里含有e巴项，这对控制系统稳定性极其不利，若足够大，系统就很 难稳定;而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器的设计变得复杂。2. 2 Smith预估器的控制机理Smith预估器控制的基本思路是:预先估计过程在基本扰动下的动态特性，然后由预 估器进行补偿控制，力图使被延迟了匸的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来 减小超调量并加速调节过程。其控制原理图如图4所示。E 4 smith
11、预怙控制器原理S图中U(s)为控制器的输出，r(k)给定输入，e*(k)为控制器的误差输入GO (S)控制对 象不含滞后部分,y(k)为采样值，T为采样周期。因为 e(k)=r(k) -y(k) e*(k)=e (k)-f (k) f (k)=Xm(k)-Ym(k)且Xm(k)控制器输出U (k)经不含滞后的控制对象的输出，选 r/T=3时 Xm(k)=y(k-3), Ym(k)=y(k)； 则有：f (k)=y(k-3)-y(k)所以e*(k)= r (k)-y (k3)图4可以进一步转换为图5：图5 Smith预估器控制原理等效图可见用smith预估器补偿之后，对象的纯滞后环节e 被移到反
12、馈回路之外，系统是 稳定的。3温度控制系统的组成框图用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见下图。其中数字控制器的功能由微型 机算机实现。4温度控制系统硬件原理图及总述图中由420mA变送器，I/V, A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。 其中，变送器选用XTR101,它将热电偶信号（温度信号）变为420mA电流输出，再由 高精密电流/电压变换器RCV420将420mA电流信号变为0-5V标准电压信号，以供A/D 转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定 炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由微型计算机构成的数字控制器按最小拍进行运 算，计算出
13、所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给8253,由8253定时计 数器转变为高低电平的不同持续时间，送至SCR触发电路，触发晶闸管并改变其导通角大 小，从而控制电加热炉的加热电压，起到调温的作用。5温度控制系统硬件与其详细功能介绍5.1微型计算机的选择选择8086微处理器构成炉温控制系统，使其工作于最小方式下。并配备以8284A 时钟发生器，8282带三态缓冲器的通用8位地址锁存器，8286具有三态输出的8位 双极型总线收发器。其中，时钟发生器8284A为CPU提供时钟信号，经时钟同步的系统复位 信号RESET和准备就绪信号READY；地址锁存器8282是针对于8086CPU地址/数
14、据线分时复用 而设计配备的，它可以在8086CPU总线周期的T1状态，利用ALE信号的下降沿将地址信息锁 存于其中；总线收发器8286是为了提高8086CPU数据总线的驱动能力.5.2 SCR触发回路和主回路如图所示为一晶闸管触发电路。包括脉冲触发器（单稳态电路，由IC1和IC2组成）, 控制门，光电耦合器4N25,放大器和双向晶闸管。由全波整流电路得到的同步电压使晶体 管BG1每半波导通一次。当控制端为“1”高电平的时候，BG1的每次导通都会经由单稳电 路由IC2输出一个负脉冲，该脉冲经IC3反向后由光电耦合器和放大电路发大后触发晶闸 管，在这一半周内晶闸管基本上处于全导通状态。若控制端为“
15、0”低电平的时候，则单 稳态电路不输出脉冲，在这一半周内晶闸管也不导通。因此，可以改变控制端的电平，控 制单稳态电路每秒输出的脉冲数，从而改变晶闸管每秒钟内导通的时间，达到调压的目的。 与以下的电路相比较第一个电路的优点在于晶闸管导通时基本处于全导通状态，因此波形较好，包含的谐 波成分较少，因此对系统的干扰也较小。而第二个电路的缺点是加热电阻两端电压波形很 差，包含了较多的谐波成分，当晶闸关导通角较小时由为如此，这些些波电压可能会对周 围系统产生影响。5.3热电偶的选择热电偶是常用的测温元件，它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热电势 效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用K型热电偶一一鎳络-银硅（线性度较好，热电 势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜）对温度进行检测，参 比端温度为20Co由以下公式可以计算出K型热电偶分别在100C, 200C, 300C, 400C, 500C时候的输出电势：E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298
