《基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录一、总体设计方案1 1.1系统结构1 1.2具体设计考虑1二、 控制系统的建模和数字控制器设计2 2.1PID控制算法2 2.2数字PID的实现3三、硬件的设计和实现5 3.1选择计算机机型一8031温度控制电路.5 3.2设计支持计算机工作的外围电路.5 3.3转换电路.6 3.4信号处理电路.6 3.5主电路.7四、软件设计.8 4.1系统资源.8 4.2编写A/D转换和位置检测子程序框图.9 4.3编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图.10五、软件说明以及电路图.11六、参考文献.12基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计一、 总体方案设计根据功能和指标要求，本系统可以从元
2、件级开始设计，选用MCS-51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对温度的测量和控制。1.1系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、 A/D与D/A 转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及 复位等功能由键盘及显示电路完成。 1-1单片机温度控制系统方案原理示意图 传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809) 转换成数字信号输入主机（单片机8031)。
3、1.2具体设计考虑 1、由于温度测量范围为0120C，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809 作A/D转换器，分辨率可达0.5C;为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度 给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED;为了实现通过调节 蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。 2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与 单片机接口简单。其测温范围为-55+150C,工作电压430V，输出电流与绝 对温度成正比，即为1MA/K。执行机构可选用ZKZP-II型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流 量。调节阀用D/A转换器输出
4、的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应 阀门全打开。 3、可采用带死区的比例积分（PI)控制算法实现对温度的控制。烘箱温 度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经 PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数 现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对 PI算法的3个参数在线整定。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。二、 控制系统的建模和数字控制器设计 2.1PID控制算法PID工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对 象值保持恒定的目的，控制作用就
5、必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对 象值(以下简称被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送 器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏 差值(以下简称e值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律 发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场 控制对象值发生改变，并趋向于给定值(SP值)，以达到控制目的，其实PID的实质就是对偏差（e值）进行比例、积分、微分运算。PID控制器的控制规律可以描述为：比例（P)控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能 消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系
6、统的不稳定。积分（I)控制的 作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零， 从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微 分（D)控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统 的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。根据不同的被控对 象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID等不同的控制模型。 比例 + 设定 -e 积分 + e 执行部件 y 微分 + - 图2-12.2数字PID的实现 在连续-时间控制系统（模拟PID控制系统）中，P
7、ID控制器应用得非常广 泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵 活，能满足一般的控制要求。随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID 控制领域，也就出现了数字式PID控制。由于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID控制 算法（如公式1所示），所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：以T为 采样周期，k为釆样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式（求差）代替 微分，这样可以将连续的PID计算公式离散： 这样就可以让计算机或者单片机通过釆样的方式实现PID控制，具体的PID 控制又分为位置式PID控制和增量式PID控制，公式4给出了控制量的
8、全部大 小，所以称之为全量式或者位置式控制；如果计算机只对相邻的两次作计算，只 考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式PID控制算法，其实质就是求Ap的大小，而 所以将式4做自减变换有： 控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法釆用数字PID调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时
9、控制中取得较好的成果。三、硬件的设计和实现3.1选择计算机机型一8031温度控制电路 8031X寸温度的控制是通过双向可控硅实现的。在给定周期 T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温 度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲 由8031用软件在P3. 1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器 输出送到可控硅的控制极上。如图是单片机8051的结构。 3.2设计支持计算机工作的外围电路根据总体方案，采用8031外扩2764作程序存储器；外扩8255用于4位LH)显示 温度、声光报警和扩展光电隔型DAC产生010mA可调
10、电流控制电动阀；外扩8路8 位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；2位BCD码给定拨 盘则和8031的P1 口相连。完整的硬件电路组成是通过8255的PA口和PC0PC3口扩展4位LH);通过PB 口和PC5扩展光电隔型D/A, DAC0832设置为单缓冲方式，Vkhk=_5V,于是经运算放 大器A1后产生05V可调直流电压，再经运算放大器A2在复合三极管T的集电极和 +12V电源之间产生010mA可调电流，以便控制电动阀的动作（RW1于调整满量程 值，D1用于保护三极管T)；通过总线直接扩展ADC0809,由于仅使用4路，故选 择通道的C端直接接地，由于温度传感器是
11、输出电流信号且与绝对温度成正比， 故釆用电平移动电路及放大电路使运算放大器A3输出电压值与摄氏温度成正比 (RW2, RW3分别用语温度测量电路的零点调节和满量程调节）；声音报警电路中,蜂鸣器采用长鸣形式，由门电路构成Is振荡器产生的响音；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1 口直接接口，各位又通过2kQ电阻接地。 由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为：2764：0000H1FFFH 8255：7000H7003H ADC0809：B000HB003H3.3转换电路 在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件, 它的温度每升高1K，电流就增加
12、1W。当AD590的电流通过一个10K的电阻时，这 个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K,为了使此电阻精确（0.1%)，可用一个 9. 6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10KQ。图所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V),然后将此电压放大到2.73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。将AD590 放入0C的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73V，同样使A2的输出电压也为2.73V,因此A1与A2两输出端之间的电压：2. 73-2.73=0C即对应于0C。 图3-3 电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路 3.4信号处理电路 温度检测的小信号放大与绝对/摄氏温度转换采用图电路，其中Rw用来完成 绝对/摄氏温度转换及调零功能，运放要求采用一片集成普通四运放LM324来完成图的信号处理功能，其工作电源取单电源VCC=9V。设计中电阻元件可参考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、Rg=5K、Rw=10K；高频滤波电容可取 C=0.01MF。
