温度控制系统设计计算机控制技术课程设计精品.docx
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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
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
1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。
2方案设计
2.1硬件系统设计
图2-1温度控制系统硬件框图
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。
图2-2温度控制系统软件流程图
2.2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。
3控制算法
3.1PID控制算法
模拟PID控制器的控制规律为
（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
（2-2）
根据式（2-2）可写出u（k-1）的表达式
（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
（2-4）
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的计算影响较小，而位置型算法要用到过去的累加值，容易产生较大的累加误差。
位置型算法不仅要占用较多的内存单元，而且不便于编写程序，并且逐渐增大的累加误差可能引起系统冲击，严重影响系统的稳定性。
综合考虑，应该使用增量型数字PID控制算法来增加系统的稳定性以及控制精度。
3.2积分分离的PID控制控制算法
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，由于有较大的误差，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、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。
本设计的控制量为炉膛温度，具有较大的惯性和滞后性，因此，可以采用积分分离措施，当偏差e（k）较大时，取消积分作用；当偏差e（k）较小时，再将积分作用投入。
即
当|e（k）|>β时，采用PD控制；
当|e（k）|≤β时，采用PID控制。
积分分离阈值应根据具体对象及控制要求确定。
若值过大，则达不到积分分离的目的；若值过小，则一旦被控量y（t）无法跳出各积分分离区，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。
图3-1积分分离PID控制算法流程图
积分分离PID控制算法流程图如图3-1所示。
4系统仿真
4.1仿真程序及图形
根据所给条件，控制对象的传递函数为
通过Matlab仿真，取Kp=0.1，Ti=50，Td=20，T=5s，=0.1，在MatlabCommand窗口中输入如下程序语句：
clearall;
closeall;
ts=5;%采样时间5s
sys=tf（[1],[30,1]）;
dsys=c2d（sys,ts,'zoh'）;%将sys离散化
[num,den]=tfdata（dsys,'v'）;%求sys多项式模型参数
kp=0.1;
ti=50;
td=10;
beta=0.1;
ki=kp*ts/ti
kd=kp*td/ts
按下回车键，使Matlab程序接受这些数据。
随后在Simulink中画出系统仿真图，如图4-1所示。
该图中对积分项进行了积分分离处理，当偏差当|e（k）|>β时，Switch开关打到上方，移除了积分调节作用，采用PD控制；当|e（k）|≤β时，Switch开关打到下方，加入积分调节作用，采用PID控制。
这样可以减小超调，减小波动，并消除稳态误差。
改变程序中Ti的值，即可以得到不同的结果，从而可以得出Ti改变对系统超调量的影响。
图4-1Simulink系统仿真图
图4-1仿真模型
4.2仿真结果
图4-2Ti=50时的系统仿真图
（1）当Ti=50时，仿真图如图4-2所示。
可以看出，此时系统出现震荡，因此，系统不稳定。
（2）Ti=100时，仿真图如图4-3所示，可以计算出系统的超调量为
图4-3Ti=100时的系统仿真图
（3）Ti=200时，仿真图如图4-4所示，可以计算出系统的超调量为
图4-4Ti=200时的系统仿真图
（4）Ti=200时，仿真图如图4-4所示，可以计算出系统的超调量为
图4-5Ti=500时的系统仿真图
4.3结果分析
通过仿真可以看出，当K、Td、T、取了合适的值后，改变Ti既会改变系统的稳定性，又会使系统的动态性能发生较大的改变。
Ti越大，积分作用越弱，而相应的系统超调量越小，说明积分作用会使系统超调量增大；Ti越小，积分作用越强，系统的超调越大。
仿真结果中，当Ti=50时，系统甚至出现不稳定的情况。
因此，积分时间常数Ti必须取恰当值，积分作用过强，会使系统超调过大，甚至不稳定；积分作用太弱，消除静差的速度太慢，会使系统长时间的振荡。
5心得体会
本学期学习了《计算机控制技术》这门课程后，本人对计算机控制的基本原理有了一定的掌握，但是，却没有经过实践，一些具体的控制算法该怎么实现，如何设置参数才能使系统的稳定性更加可靠，本人感觉有些迷茫。
因此，本次课程设计正好给了我一个实践的机会。
本次课程设计，要求设计一个温度控制系统，画出其硬件框图，并通过PID算法对其稳定性进行控制。
虽然课程中讲了许多关于PID算法的知识，但并没有给出例子，而本人在生活中也没有经过这方面的实践，因此，刚拿到课设题目时有一些不知所措。
经过几天查阅资料，学习别人留下的经验，我开始思考本设计该如何下手。
由于本设计要求画出硬件框图，并没有要求给出具体的硬件连接图，因此降低了设计难度。
在有了大体的设计框架后，我开始着手本设计，并取得了不错的进展。
在使用Matlab进行仿真时，由于有一段时间没有用到Matlab，使用时略显生疏。
通过查阅与Matlab相关的书籍，这方面的困难也得到了解决，最终得到了正确的仿真结果
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