武汉理工大学计控课设-温度控制系统设计.doc
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武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计
学号：
0121011360504
课程设计
题目
温度控制系统的设计
学院
自动化学院
专业
自动化专业
班级
自动化1005班
姓名
柳元辉
指导教师
向馗副教授
2013
年
6
月
23
日
课程设计任务书
学生姓名：
柳元辉专业班级：
自动化1005班
指导教师：
向馗副教授工作单位：
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，对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20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．通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。
4．撰写设计说明书。
时间安排：
6月26日 查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计
6月27日—6月28日 完成硬件设计
6月29日—6月30日 编写调试程序
7月1日—7月4日 撰写课程设计说明书
7月5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
目录
1设计任务及要求 2
2方案比较论证 3
3系统硬件设计 5
3.1系统硬件结构 5
3.2系统硬件的选择 5
3.3系统硬件连接图 6
4系统软件设计 7
4.1确定程序流程 7
4.2程序控制算法介绍 8
5系统仿真 11
6心得体会 15
.
摘要
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
本文主要介绍了利用8051为主控制电路实现的炉温调节控制系统，详细阐述了系统的功能，硬件组成以及软件设计，利用热电偶采集温度信号经A/D转换器转化后与给定信号送入微机系统，系统分析控制算法，信号再经D/A转换后控制调节可控硅控制器来改变炉内的温度。
关键字：
8051；PID；二阶系统；积分分离；仿真
温度控制系统设计
1设计任务及要求
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，对象的特性为二阶惯性系统，惯性时间常数为T＝20秒。
要求完成的主要任务
（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Td改变时对系统超调量的影响。
2方案比较论证
用温度传感器来检测炉的温度，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，并与β进行比较，从而确定算法。
计算得到的控制量输出给可控硅控制器，改变可控硅的导通角，达到调压的目的，是电阻丝两端的电压增大或较小，进而实现对炉温的控制。
下面有两个方案：
方案一：
热电偶温度自动控制系统。
方案二：
数字温度传感器温度控制系统。
这两个方案都是采用单片机控制，两个方案的比较部分为温度检测部分。
方案一温度检测部分检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换和D/A转换器接口，若采用8位A/D转换器，ADC0809则输人端需采用仪用放大器，把几毫伏的电压信号放大到5伏左右。
由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。
这种系统具有测量温度范围可以从零下一百度到早上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。
但构成系统复杂，抗干扰能力不强。
方案二采用数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度。
它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的系统简单使用，由于DS18B20，按照工业设计要求设计，抗干扰性能强。
但温度测量范围从-55摄氏度—-125摄氏度。
根据设计要求，综合考虑选择方案一。
主要的控制芯片采用8051，要求传感器测量的电压范围和可控硅控制器的电压在0-5℃，所以A/D与D/A转换芯片采用ADC0809和DAC0832。
炉温控制在0－300℃内，因此采用镍铬-铜镍热电偶，同时选用运算放大器将信号放大。
由以上分析控制过程，可以得到如图1的系统结构框图：
传感器
数据采集
计
算
机
显示电路
键盘控制
控制电路
电炉
图1系统结构框图
3系统硬件设计
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。
3.1系统硬件结构
ADC0809的INT0端口所连接的电阻起到给定预定值的作用，通过调节滑动变阻器划片的位置，改变INT0端口的电压，该电压通过0809转换为数字量被计算机读取。
将一个0-5V的电压表连接到可变电阻上，测量其电压，再将其表盘改装为温度表盘，即将原来的0-5V的刻度均匀分为300份，每一份代表1℃，则可以读取预定的温度值。
ADC0809的INT1端口与热电偶相连。
由8051构成的核心控制器按智能控制算法进行推算，得出所需要的控制量。
由单片机的输出通过调节可控硅管的接通时间，改变电炉的输出功率，起到调温的作用。
3.2系统硬件的选择
微型计算机的选择：
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62648kB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ADC0809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DAC0832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。
3.3系统硬件连接图
综合以上分析，可以得出系统的硬件连接图如图2所示：
4系统软件设计
4.1确定程序流程
比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例积分不能消除误差，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，只要时间足够，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
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ek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ek时，采用PD控制；当ek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yt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。
根据设计要求及所选硬件，程序流程如图3所示
开始
系统初始化设置
数据采集
A/D转换
求出温度值
与给定值比较
PD/PID控制
可控硅调节
加热炉
图3程序的主流程图
4.2程序控制算法介绍
由以上分析，P本次设计采用的是积分分离PID控制算法，ID调节时连续系统中技术中最成熟的，应用广泛的一种调节控制方式。
在模拟控制系统中，PID算法的表达为：
式中,
:
调节器的输出信号
：
调节器的偏差信号
：
调节器的比例系数
调节器的积分时间
调节器的微分时间
在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。
用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。
设系统的采样周期为T，在t=kT时刻进行采样，
式中e（k）：
根据本次采样值所得到的偏差；
e（k-1）：
由上次采样所得到的偏差。
由以上可得：
式中，T为采样时间，项为积分项的开关系数
积分积分分离PID控制算法程序框图如图4所示：
图4积分分离PID控制算法程序框图
5系统仿真
又已知惯性常数T=20秒，所以被控对象的传递函数为：
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