计控课设

目录一设计任务及分析.....................................................................................................1二方案设计.................................................................................................................1三系统硬件设计.........................................................................................................23.1系统硬件设计.................................................................................................23.2系统硬件选择..................................................................................................3四控制算法.................................................................................................................34.1PID控制度的作用..........................................................................................34.2积分分离判断.................................................................................................34.3PID控制算法..................................................................................................4五系统仿真.................................................................................................................55.1仿真程序及图形设计.....................................................................................55.2仿真结果.........................................................................................................6六总结.........................................................................................................................9参考文献.....................................................................................................................101一设计任务及分析设计依据、要求及主要内容：热阻丝加热电炉是利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压，改变流经热阻丝的电流，从而改变炉内温度。可控硅控制器输入0-5V时，对应炉内温度0-300°，温度传感器的测量值对应也是0-5V。被控对象的特性是带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数30s，滞后时间10s.基本要求：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，从键盘上接受pK，iT，dT，采样周期T和阈值；3.计算机仿真被控对象，编写仿真程序；4.通过数据分析iT的改变对超调量的影响；5.总结与思考；6.撰写课程设计说明书。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。二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所示键盘控制显示电路计算机D/A转换控制电路A/D转换数据转换电炉传感器图2-1温度控制系统框图2软件流程图如图2-2所示开始系统初始化设置键盘输入及目标炉温设置炉温测量与显示停止加热全速加热炉温=下限温度炉温=上限温度PID算法控制炉温加热等于目标温度且稳定时间到?炉温测定显示结束YNYNYN图2-2软件流程图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。、三系统硬件设计3.1系统硬件设计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，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质量送入单片机进行比较，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。炉温信号T通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差e和温度的变化率de/dt，再由智能控制算法进行推理，并得控制量u，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。33.2系统硬件选择单片机的选择：选择8051单片机构成炉温控制系统。它具有8位CPU，32根I/O线，4kB片内ROM存储器，128kB的RAM存储器。8051对温度是通过可控硅调节器实现的。在系统开发过程中修改程序容易，可以大大缩短开发周期。同时，系统工作过程中能有效地保存一些数据信息，不受系统掉电或断电等突发情况的影响。8051单片机内部有128B的RAM存储器，不够本系统使用，因此，采用6264(8kB)的RAM作为外部数据存储器。热电偶的选择：本设计采用热电偶--镍络-铜硅热电偶(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。镍铬-铜镍热电偶在300℃时的热点势21.033mV，为满足0-5V的要求，需将其放大238倍，再通过0809将其转换为数字量被计算机读取，通过软件程序对数据进行处理，将处理的结果经0832输出，输出量控制可控硅控制器，从而改变电阻丝两端的电压，使炉温得到控制。四控制算法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。PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。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。4积分分离PID控制算法图如图4-1所示：开始初始化数据采集e(k)βPID控制控制器输出PD控制更新参数结束图4-1积分分离PID控制算法图4.3PID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算法推导如下：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：调节器的微分时间。对应的模拟PID调节器的传递函数()1()(1)()PDIUsDSKTSEsTS5其中PK为比例增益，PK与比例带成倒数关系即PK=1/，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u（t）为控制量，e（t）为偏差。在计算机控制中，为实现数字控制，必须对式上式