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1、传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！学 号： 计算机控制技术课程设计题 目温度控制系统设计学 院专 业班 级姓 名指导教师2016年月日课程设计任务书学生姓名： _ 专业班级： _ 指导教师： 周申培 工作单位： _ 题 目: 温度控制系统设计初始条件：被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T140秒。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说
2、明书撰写等具体要求）1设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及的值；3计算机仿真被控对象，编写仿真程序；4通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理，电路图，采用器件的功能说明；软件思想，流程，源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料，程序清单；总结。时间安排：2016年5月23日2016年6月3日摘要比例-积分-微分控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，这种控
3、制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。利用计算机可以很好地使用PID算法对控制对象进行控制，具有较高的精度，并且可以很方便的改变PID参数，以达到不同的控制效果。本设计的控制对象为电炉，控制量为电炉温度，利用单片机对大功率可控硅导通角的控制，可以很方便地改变电热丝两端的电压，从而起到调节温度的作用。而热电偶配合单片机编程，能够较精确地得到炉温，使单片机能够实时发出控制信号，快速将炉温调节为给定值。当外界出现干扰使炉温发生变化时，单片机能够通过PID算法快速使炉温回到给定值。为了使PID控制更加稳定可靠，本设计加入了积分分离的改进措施，当偏差较大时取消积分作用，利用PD控制快速使系
4、统趋于稳定；当偏差小于某一个值时，加入积分作用，以消除静差。利用Matlab软件，可以通过仿真得到Td改变对系统超调量的影响。关键词：PID控制；Matlab；系统超调量目录1 设计任务及要求11.1 设计任务要求11.2 任务要求分析12 方案比较及认证22.1 方案设计22.2 方案认证33 系统软件设计43.1 PID控制算法43.2 积分分离的PID控制控制算法54 系统硬件设计64.1 系统滤波原理64.2 硬件设计原理65 系统仿真85.1 仿真程序及图形85.2 仿真结果95.3 结果分析126 心得体会13参考文献14附录A 芯片资料15附A1 ADC0809芯片功能15附A2
5、 DAC0832芯片功能16附A3 AT89C51单片机18附录B 程序清单20附B1 单片机程序代码20附B2 仿真程序代码27本科生课程设计成绩评定表281 设计任务及要求 1.1 设计任务要求被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T140秒。要求完成的主要任务:1设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及的值；3
6、计算机仿真被控对象，编写仿真程序；4通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设计说明书。1.2 任务要求分析本系统的控制对象为电炉，被控量为温度，利用温度传感器实时检测电炉温度；将测得的数据经过A/D转换后送入计算机；计算机系统将检测得到的温度与炉温给定值进行比较，并计算偏差；按照预置的控制算法，对可控硅控制器的导通角进行调节，从而可以控制热阻丝两端的电压，起到温度调节的作用。为了实现数据采集、转换、处理以及PID算法控制，并通过键盘对温度设定值和PID控制参数进行修正，因此可以使用单片机或PLC。由于本次控制对象为电炉，其时间常数较大，因此采用周期不宜过小，避免系统响应过于频繁，
7、降低计算机系统的效率并使控制品质变坏；但也不能太大，否则会使误差不能及时消除。2 方案比较及认证2.1 方案设计用温度传感器来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络将电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号送入计算机程序中作比较，得出给定值与实际值之间的偏差，并与进行比较，从而确定算法。计算得到的控制量输出给可控硅控制器，改变可控硅的导通角，达到调压的目的，是电阻丝两端的电压增大或较小，进而实现对炉温的控制。方案一：使用PLC直接对铁块温度进行PID调节。其基本思想为，触摸屏要设定温度
8、给PLC，PLC控制光耦电路，然后对电阻丝进行控制加热。具体流程为，由触摸屏设定温度给PLC，由PLC通过电路控制铁块的加热或不加热，热电偶把温度以电压的方式经过AD转换反馈给PLC，PLC再经过PID来控制温度。其结构框图如图2-1所示。图2-1 方案一设计结构图方案二：单片机热电偶温度自动控制。主要的控制芯片采用AT89C51，要求传感器测量的电压范围和可控硅控制器的电压在0-5，所以A/D与D/A转换芯片采用ADC0809和DAC0832。炉温控制在0300内，因此采用镍铬-铜镍热电偶，同时选用运算放大器将信号放大。图2-2 方案二设计结构图2.2 方案认证根据设计要求，综合考虑选择方案
9、二。在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示温度，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制量通过控制继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。程序流程图如图2-3所示。图2-3 程序流程图3 系统软件设计3.1 PID控制算法模拟PID控制器的控制规律为（3-1）在PID调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，KP的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地
10、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，积分作用太强就会使系统超调增大，甚至使系统出现振荡；微分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，减小调节时间，从而改善系统的动态性能。为了便于计算机实现PID控制算法，必须将式（3-1）变换成差分方程，以得到数字PID位置型控制算式（3-2）根据式（3-2）可写出u(k-1)的表达式 （3-3）将式（3-2）与式（3-3）相减，可以得到数字PID增量型控制算式为（3-4）式中，Kp为比例增益；Ki=Kp*T/Ti为积分系数；Kd=Kd*Td/T为微分系数。相对于位置型算法，增量型
11、算法不需要做累加，计算误差或计算精度对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去的累加值，容易产生较大的累加误差。位置型算法不仅要占用较多的内存单元，而且不便于编写程序，并且逐渐增大的累加误差可能引起系统冲击，严重影响系统的稳定性。综合考虑，应该使用增量型数字PID控制算法来增加系统的稳定性以及控制精度。3.2 积分分离的PID控制控制算法在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏 差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，为此，可采用积分分离措施，即偏差e(k)较大时，
12、取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。亦即当时，采用PD控制；当时，采用PID控制。积分分离阈值应根据具体对象及控制要求。若值过大时，则达不到积分分离的目的；若值过小，则一旦被控量y(t)无法跳出个积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差，为了实现积分分离，编写程序时必须从数字PID差分方程式中分离出积分项，进行特殊处理。积分分离PID控制算法流程图如图3-1所示。图3-1 积分分离PID控制算法流程图4 系统硬件设计4.1 系统滤波原理一般微机应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自信号源本身、传感器、外界干扰等。噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。前者可采
13、用双积分A/D转换器，有效地消除其影响。后者为随机信号，可用数字滤波方法予以消除。 算术平均值法式要按输入的N个采样为周期ix（i=1N），寻找这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使 由一元函数求值原理可得4.2 硬件设计原理该温度控制硬件设计采用了单片机AT89C52，A/D转换器ADC0809与D/A转换器DAC0832。其设计思想为：用热电偶来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入A/D转换器ADC0809，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号都转换成数字量送入单片机AT8
14、0C52进行比较，其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差，以单片机为核心的数字PID控制器对偏差按照给定的方法运算，运算结果送入D/A转换器DAC0832转换成模拟电压，经功率放大器放大后送入晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到炉温调节的作用。其电路图如图4-1所示。图4-1 硬件设计电路图5 系统仿真5.1 仿真程序及图形被控对象为采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算法。 选择合适的Kp，Ki，Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。MATLAB程序如下所示。clear all;close all;ts=2; %采样时间2ssys=tf(1,40,1,0); %令sys为系统传递函数 dsys=c2d(sys,ts,zoh); %将sys离散化并加零阶保持器num,den=tfdata(dsys,v); %求sys多项式模型参数kp=1;ti=50;td=1;beta=0.1;ki=kp*ts/ti;kd=kp*td/ts;Simulink仿真图如图5-1所示。图5-1 Simulink仿真图5.2 仿真结果(1) 当Td=0.1时，仿真波形图如图5-2所示。图5-2 当Td=0.1时的仿真波形图(2) 当Td=1时，
