59温度控制系统设计

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：郑子茗专业班级：自动化1101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。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说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β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T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：6月25日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计6月26日—6月27日完成硬件设计6月30日—7月1日编写调试程序7月2日—7月3日撰写课程设计说明书7月4日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书摘要随着科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统也千变万化。电阻炉广泛应用于各行各业，其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，可大大地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。关键字：电阻炉89C51单片机温度控制A/D转换武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书目录1设计任务及分析....................................................12方案设计....................................................................................................................23总的设计.....................................................................................................................33.1软件流程图......................................................................................................33.2总的硬件设计.................................................................................................44积分分离PID控制....................................................................................................54.1PID控制度的作用...........................................................................................54.2积分分离判断..................................................................................................54.3PID控制算法................................................................................................75系统仿真....................................................................................................................95.1仿真程序及图形设计......................................................................................95.2仿真结果........................................................................................................10心得体会......................................................................................................................14参考文献......................................................................................................................15程序清单......................................................................................................................16武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书1温度控制系统设计1设计任务及分析被控对象为电炉，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T改变时对系统超调量的影响。4）撰写设计说明书。本次设计是对电炉的温度控制，而电炉的温度是通过放在其中的热阻丝来控制的，而热阻丝的电流由可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制。对电炉温度的控制是个动态的过程，不可能一下子就达到我们想要的温度，需要用到一些仪器比如热电偶来测量电路的温度，通过传感器将炉温转换成电压信号，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，单片机对偏差进行运算，将运算结果送给晶闸管调压器来调节热阻丝的电流，以此来调节电电炉的温度。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书22方案设计电炉的温度控制是个动态的控制过程，需要借助计算机，单片机等很多器件的硬件连接来实现。而电炉温度的直接控制是通过热阻丝的加热来实现的，热阻丝的加热是由流经热阻丝的电流老控制的，而热阻丝的电流是通过可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制，电压的调节是通过可控制硅控制。需要用到热电偶时刻监测电炉的温度，通过传感器将温度信号转化为电压信号，而电压信号通过模数转换送入到计算机进行控制，计算机将转换结果送到晶闸管来控制加到热阻丝两端的电压，这样达到调节电炉温度的目的。电炉温度控制的硬件连接图如图2-1所示图2-1温度控制系统框图传感器电炉显示电路计算机键盘控制D/A转换A/D转换数据采集控制电路武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书33总的设计3.1软件流程图软件流程图如图3-1所示图3-1软件流程图开始系统初始化数据采集A/D转换器求温度值信号比较PID调节计算机输出武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书4通过一个温度传感器将电炉中的温度转换成电压信号，计算机采集这个电压信号，经过数模转换器求出温度值，将计算出的温度值与目标温度值进行比较，求出偏差，将偏差与预先设定的偏差进行比较，选择是用PID控制还是PD控制，计算机处理的结果输出控制可控硅的调节，又可控硅来调节加在电炉中热阻丝两端的电压来调节电炉的温度。然后再次测量电炉温度，反复测量，反复调节，最终达到目标温度。3.2总的硬件设计图3-2硬件设计图武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书54积分分离PID控制4.1PID控制度的作用比例调节作用（P）：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的有比较大的超调，并产生振荡，稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用（I）：是使系统消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用（D）：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。4.2积分分离判断在一般的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)(ke较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。亦即武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书6当)(ke时，采用PD控制；当)(ke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)(ty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控制算法图如图4-1所示YN图4-1积分分离PID控制算法图开始初始化数据采集()ekPID控制PD控制控制器输出更新参数返回武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书74.3PID控制算法实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程控制时，都能得到满意的效果。不过用计算机实现PID控制，不是简单得把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。PID算法推倒如下：01()()[()()]tpDIdetutKetetdtTTdtu：调节器的输出信号；e：偏差信号；K：调节器的比例系数；TI：调节器的积分时间；TD：调节器的微分时