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温度控制新版系统标准设计计算机控制核心技术优秀课程设计.docx
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1、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 名指导老师年月日课程设计任务书学生姓名: _ 专业班级: _ 指导老师: 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,采取热阻丝加热,利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压大小,来改变流经热阻丝电流,从而改变电炉炉内温度。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,对象特征为积分加惯性系统,惯性时间常数为T140秒。要求完成关键任务: (包含课程设计工作量及其技术要求,和说明书撰写等具体要求)1设计温度控制系统计算机硬件系统,画出框图;2编写积分
2、分离PID算法程序,从键盘接收Kp、Ti、Td、T及值;3计算机仿真被控对象,编写仿真程序;4经过数据分析Td改变时对系统超调量影响。5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包含: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,采取器件功效说明;软件思想,步骤,源程序;调试统计及结果分析;参考资料;附录:芯片资料,程序清单;总结。时间安排:5月23日6月3日摘要百分比-积分-微分控制(简称PID控制),是控制系统中应用最为广泛一个控制规律。实际运行经验和理论分析全部表明,这种控制规律对很多工业过程进行控制时,全部能得到满意效果。利用计算机能够很好地使用PID算法对控制对象进行控制
3、,含有较高精度,而且能够很方便改变PID参数,以达成不一样控制效果。本设计控制对象为电炉,控制量为电炉温度,利用单片机对大功率可控硅导通角控制,能够很方便地改变电热丝两端电压,从而起到调整温度作用。而热电偶配合单片机编程,能够较正确地得到炉温,使单片机能够实时发出控制信号,快速将炉温调整为给定值。当外界出现干扰使炉温发生改变时,单片机能够经过PID算法快速使炉温回到给定值。为了使PID控制愈加稳定可靠,本设计加入了积分分离改善方法,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,能够经过仿真得到Td改变对系统超调量
4、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13参考文件14附录A 芯片资料15附A1 ADC0809芯片功效15附A2 DAC0832芯片功效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
5、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,采取热阻丝加热,利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压大小,来改变流经热阻丝电流,从而改变电炉炉内温度。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,对象特征为积分加惯性系统,惯性时间常数为T140秒。要求完成关键任务:1设计温度控制系统计算机硬件系统,画出框图;2编写积分分离PID算法程序,从键盘接收Kp、Ti、Td、T及值;3计算机仿真被控对象,编写仿真程序;4经过数据分析Td改变时对系统超调量影响。5. 撰写设计说明书。1.2 任务要求分析本系统控制对象为电
6、炉,被控量为温度,利用温度传感器实时检测电炉温度;将测得数据经过A/D转换后送入计算机;计算机系统将检测得到温度和炉温给定值进行比较,并计算偏差;根据预置控制算法,对可控硅控制器导通角进行调整,从而能够控制热阻丝两端电压,起到温度调整作用。为了实现数据采集、转换、处理和PID算法控制,并经过键盘对温度设定值和PID控制参数进行修正,所以能够使用单片机或PLC。因为此次控制对象为电炉,其时间常数较大,所以采取周期不宜过小,避免系统响应过于频繁,降低计算机系统效率并使控制品质变坏;但也不能太大,不然会使误差不能立即消除。2 方案比较及认证2.1 方案设计用温度传感器来检测炉温度,将炉温转变成毫伏级
7、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,经过采样和模数转换,所检测到电压信号和炉温给定值电压信号送入计算机程序中作比较,得出给定值和实际值之间偏差,并和进行比较,从而确定算法。计算得到控制量输出给可控硅控制器,改变可控硅导通角,达成调压目标,是电阻丝两端电压增大或较小,进而实现对炉温控制。方案一:使用PLC直接对铁块温度进行PID调整。其基础思想为,触摸屏要设定温度给PLC,PLC控制光耦电路,然后对电阻丝进行控制加热。具体步骤为,由触摸屏设定温度给PLC,由PLC经过电路控制铁块加热或不加热,热电偶把温度以电压方法经过AD转换反馈给PL
8、C,PLC再经过PID来控制温度。其结构框图图2-1所表示。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。关键控制芯片采取AT89C51,要求传感器测量电压范围和可控硅控制器电压在0-5,所以A/D和D/A转换芯片采取ADC0809和DAC0832。炉温控制在0300内,所以采取镍铬-铜镍热电偶,同时选择运算放大器将信号放大。图2-2 方案二设计结构图2.2 方案认证依据设计要求,综合考虑选择方案二。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和炉温相对应数字信号进入单片机,单片机进行数据处理后,经过液晶显示器显示温度,同时将温度
9、和设定温度比较,依据设定计算出控制量,依据控制量经过控制继电器导通和关闭从而控制电阻丝导通时间,以实现对炉温控制。程序步骤图图2-3所表示。图2-3 程序步骤图3 系统软件设计3.1 PID控制算法模拟PID控制器控制规律为(3-1)在PID调整中,百分比控制能快速反应误差,从而减小误差,但百分比控制不能消除稳态误差,KP加大,会引发系统不稳定;积分控制作用是:只要系统存在误差,积分控制作用就不停地积累,输出控制量以消除误差,所以,只要有足够时间,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;微分控制能够减小超调量,克服振荡,使系统稳定性提升,同时加紧系统动态响
10、应速度,减小调整时间,从而改善系统动态性能。为了便于计算机实现PID控制算法,必需将式(3-1)变换成差分方程,以得到数字PID位置型控制算式(3-2)依据式(3-2)可写出u(k-1)表示式 (3-3)将式(3-2)和式(3-3)相减,能够得到数字PID增量型控制算式为(3-4)式中,Kp为百分比增益;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,增量型算法不需要做累加,计算误差或计算精度对控制量计算影响较小,而位置型算法要用到过去累加值,轻易产生较大累加误差。位置型算法不仅要占用较多内存单元,而且不便于编写程序,而且逐步增大累加误差可能引发系统冲击,严重
11、影响系统稳定性。综合考虑,应该使用增量型数字PID控制算法来增加系统稳定性和控制精度。3.2 积分分离PID控制控制算法在通常PID控制中,当有较大扰动或大幅度改变给定值时,因为此时有较大偏 差,和系统有惯性和滞后,故在积分项作用下,往往会产生较大超调和长时间波动。尤其对于温度等改变缓慢过程,这一现象更为严重,为此,可采取积分分离方法,即偏差e(k)较大时,取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入。亦即当初,采取PD控制;当初,采取PID控制。积分分离阈值应依据具体对象及控制要求。若值过大时,则达不到积分分离目标;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
12、差,为了实现积分分离,编写程序时必需从数字PID差分方程式中分离出积分项,进行特殊处理。积分分离PID控制算法步骤图图3-1所表示。图3-1 积分分离PID控制算法步骤图4 系统硬件设计4.1 系统滤波原理通常微机应用系统模拟输入信号中,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,另一类为不规则。前者可采取双积分A/D转换器,有效地消除其影响。后者为随机信号,可用数字滤波方法给予消除。 算术平均值法式要按输入N个采样为周期ix(i=1N),寻求这么一个y,使y和各采样值间偏差平方和为最小,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
13、设计采取了单片机AT89C52,A/D转换器ADC0809和D/A转换器DAC0832。其设计思想为:用热电偶来检测炉温度,将炉温转变成毫伏级电压信号,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,经过采样和模数转换,所检测到电压信号和炉温给定值电压信号全部转换成数字量送入单片机AT80C52进行比较,其差值即为实际炉温和给定炉温偏差,以单片机为关键数字PID控制器对偏差根据给定方法运算,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大小,从而控制电阻炉加温电压,起到炉温调
14、整作用。其电路图图4-1所表示。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取simulink仿真,经过simulink模块实现积分分离PID控制算法。 选择适宜Kp,Ki,Kd是系统仿真效果趋于理想状态。MATLAB程序以下所表示。clear all;close all;ts=2; %采样时间2ssys=tf(1,40,1,0); %令sys为系统传输函数 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
15、/ti;kd=kp*td/ts;Simulink仿真图图5-1所表示。图5-1 Simulink仿真图5.2 仿真结果(1) 当Td=0.1时,仿真波形图图5-2所表示。图5-2 当Td=0.1时仿真波形图(2) 当Td=1时,仿真波形图图5-3所表示。图5-3 当Td=1时仿真波形图(3) 当Td=10时,仿真波形图图5-4所表示。图5-4 当Td=10时仿真波形图(4) 当Td=15时,仿真波形图图5-5所表示。图5-5 当Td=15时仿真波形图(5) 当Td=20时,仿真波形图图5-6所表示。图5-6 当Td=20时仿真波形图(6) 当Td=30时,仿真波形图图5-6所表示。图5-7 当
16、Td=30时仿真波形图(7) 当Td=40时,仿真波形图图5-8所表示。此时系统出现振荡,系统不稳定。图5-7 当Td=40时仿真波形图5.3 结果分析增大微分时间Td,有利于加紧系统响应,使超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动抑制能力减弱,对扰动有较敏感响应。经过仿真能够看出,当K,Td,T,取了适宜值后,改变Td既会改变系统超调量,又会使系统稳定时间发生较大改变。在一定范围内Td增大,而对应系统超调量减小,说明此时微分作用会使系统超调量减小。但超出该范围,随Td增大超调量增大。仿真结果中,当Td=40时,系统甚至出现不稳定情况。所以,积分时间常数Td必需取合适值,微分作用过强,会使系统超调
17、过大,甚至不稳定。所以,Td增大即微分作用增强有利于增加系统稳定性,还能够改善系统动态特征,如能够显著降低超调量,缩短调整时间等,提升控制精度。但Td值偏大全部会适得其反。6 心得体会经过此次温度控制系统设计,个人有了很多取得:一,了解了本身多种理论知识不足之处,强化了本身知识水平;二,知道了理论必需和实践结合,多种技术才能真正达成熟练利用程度;三,科学技术是严密谨慎,不能有一丝马虎,不然可能会出现较大误差;四,经过此次温度控制设计,深入学习了单片机设计和Matlab仿真设计。也学习了数字PID控制,比较了数字PID位置型控制算法和数字PID增量型控制算法。同时了解了数字PID控制器改善方法,
18、如积分分离。为了实现积分分离,编写程序时必需从数字PID差分方程式中分离出积分项,进行特殊处理。参考文件1 于海生. 计算机控制技术M. 北京:机械工业出版社,:101-111.2 张毅刚,彭喜元. 单片机原理及应用M. 北京:高等教育出版社,:43-82.3 刘教瑜. PLC应用技术M. 北京:人民邮电出版社,:276-278.4 刘红丽. 传感和检测技术M. 北京:国防工业出版社,:73-81.5 王孝武,方敏,葛锁良. 自动控制理论M. 北京:机械工业出版社,:117-118.附录A 芯片资料附A1 ADC0809芯片功效A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量期间或装置,它是一个模拟
19、系统和计算机之间接口,它在数据采集和控制系统中,得到了广泛应用,常见A/D转换器有ADC0809. 它是一个带有8通道模拟开关8位逐次迫近式A/D转换器,转换时间为100us左右,线性误差为1/2LSB,采取28脚双立直插式封装,ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成。(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑该部分功效是实现8选1操作,通道选择信号C、B、A和所选通道关系以下:表A-1 ADC0809模拟开关及通道选择逻辑 地址锁存许可信号(ALE、正脉冲)用于通道选择信号C、B、A锁存。加至C、B、A上通道选择信号在ALE作用下送入通道选择逻辑后,通
20、道i上模拟输入被送至A/D转换器转换。(2)8位A/D转换器图A-1 ADC0809引脚图图A-1所表示。IN0IN7为模拟信号8个输入通道。VREF,VREF为基准电压正极和负极。 ADDA 、ADDB和ADDC为模拟信号输入通道地址选择线。ALE为地址锁存信号,由低电平到高电平正跳变时讲地址选择线状态锁存,一选通对应输入通道。 START为开启信号,正脉冲上升沿使内部寄存器清零,从下降沿开始进行A/D转换。 OEC为转换结束信号,在START信号以后变低,转换结束为高电平,用来申请中止。OE为输出许可信号,有效时将输出寄存器中数据放到数据总线上。2-82-1为数码输出端,2-8为最低有效位
21、,2-1为最高有效位。附A2 DAC0832芯片功效D/A转换器功效是把二进制数字量电信号转换为和其数值成正比模拟量电信号。常见D/A转换器为DAC0832芯片。DAC0832工作在单缓冲寄存器方法,即当CS信号来时,D0D7数据线送来数据直通进行D/A转换,当IOW变高时,则此数据便被锁存在寄存器中,所以D/A转换输出也保持不变。DAC0832讲输入数字量转换成差动电流输出(Iout1和Iout2),为了将其编程电压输出,须经过运算放大器,使其输出05V(Vref为-5V)或010V(Vref为-10V),若要形成负电压输出,则Vref需接正基准电压。图A-2 DAC0832引脚图图A-2
22、所表示,DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出转换。图4为DAC0832引脚图。其关键参数以下:分辨率为8位,转换时间为1s,满量程误差为1LSB,参考电压为(+10/span-10)V,供电电源为(+5+15)V,逻辑电平输入和TTL兼容。在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它许可锁存信号为ILE,第二级锁存器称为DAC寄存器,它锁存信号也称为通道控制信号XFER。当ILE为高电平,片选信号 CS和写信号 WR1为低电平时,输入寄存器控制信号为1,这种情况下,输入寄存器输出随输入而改变。以后,当WR1由低电平变高时,控制信号成
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