基于料筒温度控制讲解

1课程设计说明书基于单片机控制器的塑料成型加工过程单路料筒温度控制系统的设计学院机器与汽车工程学院专业材料成型及控制工程学生姓名温峰指导教师文生平提交日期2013年6月17日华南理工大学2课程设计（论文）任务书兹发给材控高分子班学生温峰毕业设计（论文）任务书，内容如下：1.课程设计（论文）题目：基于单片机控制器的塑料成型加工过程单路料筒温度控制系统的设计2.应完成的项目：（1）采用MATLAB工具箱仿真设计控制系统PID算法的最佳调节器参数（2）控制系统硬件电路设计（3）控制系统软件设计3.参考资料以及说明：（1）过程装备控制技术及应用（2）单片机原理及系统设计（3）单片机基础（4）单片机原理与应用及C51程序设计（5）MCS-51单片机温度控制系统的设计（6）基于MATLAB的控制系统计算机仿真（7）MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD4.本课程设计（论文）任务书于2013年6月10日发出，应于2013年6月17日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。专业教研组（系）、研究所负责人审核年月日指导教师签发年月日3课程设计（论文）评语：（应包括平时表现、论文质量、答辩表现等内容）毕业设计（论文）总评成绩：毕业设计（论文）答辩负责人签字：年月日4摘要随着现代科技的进步，工业生产中很多时候都会将温度作为被控参数。因此，对温度控制系统进行研究具有很广泛的意义。单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用，温度是一个系统经常需要测量、控制和保持的量。然而，温度是一个模拟量，不能直接与单片机交换信息。采用适当的技术将模拟的温度量转化为数字量在原理上并不困难，却需要较高的成本以及一些其他方面的问题。因此，对单片机温度控制系统的研究有重要意义。采用C51单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量和数量。本设计是以料筒三区温度作为被控对象，以C51为控制系统核心的闭环反馈调节系统。通过单片机系统设定，实现对料筒温度的显示和控制功能。本文主要介绍了料筒温度控制系统的工作原理和设计方法，利用单片机作为数据处理器，并运用PID算法进行处理。单片机定时的对温度进行检测，信号经A\D转换得到相应的数字量，送到计算机中进行判断和运算得到相应的控制量，去控制料筒的温度。关键词：温度，PID算法，单片机5目录摘要4第一章控制方案设计………………………………………………………………11.1、目标和任务估计…………………………………………………………11.2、方案选择…………………………………………………………………11.3、元件选择…………………………………………………………………11.4、软件控制方案的确定……………………………………………………2第二章控制系统硬件电路设计……………………………………………………3第三章控制算法的确定……………………………………………………………43.1、温度控制算法选择………………………………………………………43.2、调节器参数的工程整定…………………………………………………43.3、用MATLAB对系统进行仿真………………………………………………5第四章DDC的基本算法……………………………………………………………94.1、DDC基本算法简述………………………………………………………94.2、DDC理想PID算法选择…………………………………………………94.3、PID增量型控制算法流程：………………………………………………10第五章温度控制的程序框图以及编写……………………………………………125.1、主程序框图………………………………………………………………125.2、中断服务程序框图………………………………………………………135.3、A/D和D/A转化器初始化程序…………………………………………165.4、PID计算程序……………………………………………………………17第六章设计总结……………………………………………………………………19参考文献……………………………………………………………………………206第一章控制方案设计1.1、目标和任务估计从控制任务要求可知是单点、恒值控制。控制范围和精度要求一般，功能上无特殊要求。可采用一般的闭环控制系统实现。其系统原理图如下1.2、方案选择根据课程设计要求，结合所学单片机知识，初步得到的单片机温度控制系统原理图：1.3、元件选择温度采集A/D转换器8051单片机执行元件显示器键盘D/A转换器7（1）计算机的选择按上述要求只需单点控制和显示，没有特别的数据处理任务。因此适宜采用嵌入式微控制器控制。为了使系统结构紧凑，采用国内应用非常广泛的80C51系列8位微控制器为核心组成控制系统。该系列多种型号之间引脚兼容，可根据系统规模相互替换，开发和升级都很方便。（2）A/D转换器的选择假定控制范围设定为80~300℃。若选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5℃/字。它虽然在±4℃的允许误差范围之内，但是裕量太小。因为系统的其他环节，特别是传感元件的非线性，也会产生误差引起精度损失，因此实际精度很难达到要求。若选用10位A/D转换器，其分辨率为0.3℃/字，在要求的精度范围内有较大裕量，可以满足要求。若采用12位的A/D转换器，其分辨率约为0.1℃/字，但是由于其他环节对精度的影响，单纯过高追求A/D的高分辨率是一种资源浪费。而且无论采用10位，还是12位A/D转换器，与8位CPU连接都比较麻烦，增加了系统的复杂性。针对本系统的实际情况，实际控温范围只有（300－80）℃=220℃，因此可用8位A/D转换器。对于A/D转换器的速度，没有过高的要求，采用一般中速芯片如AD0809即可满足。（3）传感元件的选择柑橘控温范围，选用镍铬-镍铝（K型）热电偶可以满足。下面根据它的分度表列出几个在控制范围内的数据：温度/℃0100150200250300毫伏值/mV0.0004.0956.1378.13710.15112.207可见，其线性度比较好，如果不进行非线性补偿，把0~250℃之间作为线性看待，下面具体分析一下由于非线性带来的误差。80~300℃的平均斜率为（12.207-0）/（300-80）=0.055mV/℃（4）执行元件的选择通过电阻加热料筒，采用晶闸管（SCR）做功率控制。（5）D/A转换器的选择D/A转换器的位数一般可低于A/D的位数。因为一般控制系统对输出通道分辨率的要求比输入通道低。因此选用常用的DAC0832芯片。（6）放大器的选择因为要求偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，故采用常规的DDZ系列温度变送器。1.4、软件控制方案的确定8按照系统的要求，采用程序巡回控制方式或者定时中断控制方式都可以实现。为了便于功能的扩充，便于使用动态显示，采用定时中断控制方式。定时中断由定时器TO的溢出来触发，定时长度50ms。第二章控制系统硬件电路设计根据上面分析，具体硬件线路如下图。扩展I/O口82C55、ADC0809和DAC0832的地址分配采用线选方式，其中82C55地址为0FB00H~0FB03;ADC0809地址为0FE00H~0FE07（启动通道0～7），读数据地址可与启动相同；DAC0832的地址为0FD00H，接成一步直通的方式（WR/XFER均接地）。9第三章控制算法的确定3.1、温度控制算法选择PID控制是注塑机料筒温度控制最常用的算法。温度控制系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，偏差值作为PID功能块的输入。然后对偏差值进行处理，获得的控制信号去调节料筒加热器的加热功率，以实现对料筒温度的控制。基本的PID控制规律可描述为：()=ICPDKGsKKSS在PID控制算法中，存在比例、积分、微分3种控制作用，其特点分别是减小误差，消除偏差和减小超调量、加快动态响应。根据被控对象的不同，可适当调节PID参数，可获得比较满意的控制效果。因其算法简单，参数调整方便，并有一定的控制精度，因此，其应用极其普遍。PID控制的原理简单，使用方便，适应性强,鲁棒性强。PID参数KP、KI和KD可以根据过程动态特性及时调整。PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行PID控制了。但不可否认PID规律也有其固定的缺点。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，效果不太好；最主要的是：如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出许多新的控制方法，但PID仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用。3.2、调节器参数的工程整定当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节以及被控对象各通道的特性10就不能在改变，而唯一能够改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度、积分时间和微分时间。通过改变这三个参数的大小就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。调节器参数整定的目的就是按照已定的控制系统，求取控制系统质量最好的调节器参数。控制系统的整定是一个很重要的方法，但它只能在一定范围内起作用，绝不是万能的。它的工作前提必须是：系统设计合理、仪表选择得当和安装正确。这样，调节器参数整定才有实际意义。调节器参数的整定方法有很多中，通常可分为两大类：一类是理论计算整定法，如根轨迹法、频率特性法。这类方法基于被控对象数学模型，通过计算方法直接求得调节器整定参数。另一类称为工程整定法，其中有一些基于对象的阶跃响应曲线，有些则直接在闭环系统中进行，虽然它们是一种近似的经验方法，但相当实用，在工程实际中最流行。这里采用临界比例度法，是工程整定法的一种。临界比例度法又称Ziegler-Nichols方法，早在1942年提出。它首先求取在纯比例作用下的闭环系统为等幅振荡过过程时的比例度和振荡周期，然后根据经验公式计算相应的调节器参数。通常将等幅振荡下的比例度和震荡周期分别称为临界比例度和临界周期。临界比例度法便于使用，而且在大多数控制回路中能够得到较好的控制品质。临界比例度法整定参数的具体步骤是：首先将调节器的积分作用和微分作用全部除去，在纯比例的情况下，按比例度从大到小的变化规律，对应与某一比例度值做小幅度的设定值阶跃干扰，知道获得等幅振荡过渡过程曲线，这时的比例度未临界比例度，振荡周期为临界周期Tk,可在过渡过程曲线上求取。最后根据所给的经验公式计算出调节器各参数的整定数值。表一稳定边界法参数整定计算公式控制规律KpKiKdP0.5Kp1PI0.455Kp10.535Kp1/TPID0.6Kp11.2Kp1/T0.075Kp1*T3.3、用MATLAB对系统进行仿真已知料筒温控对象的数学模型为一阶惯性加纯滞后环节：sessG851132601.2)(111、采用MATLAB工具箱仿真料筒温控对象的数学模型（一阶惯性加纯滞后环节），在simulink窗口下模拟数学模型，输入阶跃信号。控制方案如下：图一2、临界比例度法整定的第一步是获取等幅振荡，kp设为12.8，选定仿真时间，设置延迟时间，仿真运行，运行完毕后双击“Scope”得到如下图所示结果：图二3、根据上表一，可以求得PID控制整定时，比例放大系数Kp1=12.8，将“Kp”的值设定为7.68，将“Ki”的值设定为0.0439，将“Kd”的值设定为336,仿真运行，运行完毕后，运行完毕后双击“Scope”得到如下图：12图三4、这个参数不是最优的，我在其值的周围调整得图四此时Kp=7.7，Ki=0.05，Kd=3364、最终设定值为Kp=7，Ki=0.03，Kd=250，仿真运行，运行完毕后，运行完毕后双击“Scope”得到如下图：13图五5、但是曲线仍然不够好，再用经验试凑法，不断进行调整参数，最后得到Kp=7Ki=0.013ITd=300修改各值后仿真运行，运行完毕后，运行完毕后双击“Scope”得到如下图：图六14第四章DDC的基本算法4.1、DDC基