温度控制系统设计——计算机控制技术课程设计-精品

学号：0121311370627课程设计题目温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化专业班级1303班姓名李杰指导教师周申培2016年6月1日课程设计任务书学生姓名：李杰专业班级：自动化1303班指导教师：周申培工作单位：自动化学院题目:温度控制系统设计要求完成的主要任务: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0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。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β的值；3）通过数据分析Ti改变时对系统超调量的影响。4）撰写设计说明书。时间安排：5月24日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计5月25日—6月1日完成硬件设计并调试6月2日提交课程设计指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要...............................................................................................................................................11设计任务及分析.........................................................................................................................21.1设计任务要求..................................................................................................................21.2设计系统分析..................................................................................................................22方案设计.....................................................................................................................................32.1硬件系统设计..................................................................................................................32.2软件流程图......................................................................................................................43控制算法.....................................................................................................................................53.1PID控制算法...................................................................................................................53.2积分分离的PID控制控制算法.....................................................................................64系统仿真.....................................................................................................................................74.1仿真程序及图形..............................................................................................................74.2仿真结果..........................................................................................................................84.3结果分析........................................................................................................................105心得体会...................................................................................................................................11参考文献.......................................................................................................................................12本科生课程设计成绩评定表1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热炉，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Ti改变对系统超调量的影响。关键词：PID控制Matlab系统超调量21设计任务及分析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0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。要求完成的任务：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β的值；3）通过数据分析Ti改变时对系统超调量的影响。4）撰写设计说明书。1.2设计系统分析本系统的以电炉为控制对象，以电炉温度为控制量，利用温度传感器实时检测电炉温度，并将测得的数据经过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。利用单片机可以方便地实现数据采集、转换、处理以及PID算法控制，并通过键盘对一些重要参数进行修正，还具有系统小巧、稳定可靠以及成本较低等优点。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，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。32方案设计2.1硬件系统设计本系统硬件部分主要由温度传感器、D/A转换电路、信号调理电路和I/V变换、单片机系统、A/D转换电路、可控硅及其控制电路以及电炉组成。温度控制系统硬件框图如图2-1所示。温度传感器主要有热电偶、金属热敏电阻和半导体热敏电阻等几种。其中，热电偶测温范围广，可在1K~2800℃范围内使用，并且具有精度高、性能稳定、结构简单、动态性能好等优点，缺点是线性度很不好，需要预置温度-电压分度表。金属热敏电阻主要有铂热电阻和铜热电阻，前者可在-200~800℃范围内使用，后者一般只在-50~150℃范围内使用，而铂热电阻价格较贵，因此并不太适合本次设计使用。半导体热敏电阻一般来说测温范围较小，此处不予考虑。综合比较，选用金属热电偶相对来说更加适宜。由于本设计采用单片机为控制核心，因此，将金属热电偶的温度-电压分度表写入单片机的ROM中可以很方便的通过查表程序得到实时温度。A/D转换器采用8位逐次逼近式A/D转换芯片ADC0809，其转换时间在100us左右，线性误差为（±1/2）LSB，工作温度范围为-45~85℃，功耗为15mW。D/A转换器采用8位D/A转换芯片DAC0832，其电流建立时间为1us，单一电源供电+5~+15V，功耗为20mW。单片机采用AT89S52，具有8K片内ROM和256B的片内RAM，32位I/O口，3个16位定时器/计数器，具有RAM数据掉电保护功能。温度传感器信号调理及I/V变换A/D转换单片机电炉可控硅控制电路D/A转换键盘输入控制图2-1温度控制系统硬件框图42.2软件流程图温度控制系统的软件流程图如图2-2所示，系统开始工作时会检测炉温，一般情况下此时炉温比给定值低，于是电炉开始全速加热。于此同时，系统会按照预定的采样周期进行采样，当检测炉温在上限温度和下限温度之间，那么开始进行PID控制，并继续按照预定的采样周期进行采样，直至温度稳定为给定值。开始系统初始化并输入给定温度值炉温测量炉温≤下限温度炉温≥下限温度PID算法控制炉温炉温等于目标温度且稳定结束NY停止加热全速加热NYYN图2-2温度控制系统软件流程图53控制算法3.1PID控制算法模拟PID控制器的控制规律为])()(1)]([)(0tDIdttdeTdtteTteKptu（2-1）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（2-1）变换成差分方程，以得到数字PID位置型控制算式])1()()()([)(0kiDITkekeTieTTkeKpku（2-2）根据式（2-2）可写出u(k-1)的表达式])2()1()()1([)1(10kiDITkekeTieTTkeKpku（2-3）将式（2-2）与式（2-3）相减，可以得到数字PID增量型控制算式为)]2()1(2)([)()]1()([)(