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温控炉

杨晓丹曹威 | 自动实1301 | 2015年7月15日

温控炉实验报告

目录

一、实验内容及目的3

二、实验方案内容3

1.温度测量设计3

1）温度测量原理3

2）测温电路设计4

3）温度与电压的对应关系6

2.单片机程序设计7

1）程序功能7

2）PID控制程序7

3）数码管显示8

4）串口通信9

5）上位机控制指令的接收和执行9

6）A/D采样10

7）温度与AD测量值的转换10

8）按键扫描10

9）按键的功能表11

10）PWM方波11

11）多任务处理11

3.上位机程序设计12

1）上位机串口通信12

2）上位机控制12

4.PID算法的设计及其优化12

1）系统辨识12

2）PSO参数优化14

5.温控炉控制实验15

1）单片机控制15

2）上位机控制15

三、实验结果及分析15

1.单片机控制15

2.上位机控制16

四、实验中遇到的问题16

五、附录17

1.上位机主程序17

2.上位机子程序18

3.数据处理程序21

4.系统辨识主程序22

5.系统辨识子程序24

6.PSO参数优化主程序24

7.PSO参数优化子程序27

8.单片机程序28

一、实验内容及目的

1.通过自己设计测温电路板，并用keilc编程算法，使小炉子可达到设定温度，通过优化PID参数，使控制时间尽量短，温度静态误差尽量小，控制精度尽可能高。

2.利用matlab编写串口程序和上位机程序，使温控炉的温度能在matlab上用图像的形式将进行实时监控。

二、实验方案内容

1.温度测量设计

温控炉采用PID控制，需要将炉子的温度反馈到控制器中。

温度测量是实现PID控制必不可少的一个部分，温度测量的精度也直接影响到控制的效果。

测量温度的方法大致有膨胀式、压力式、热电偶、热电阻、辐射式、红外线这几种，本次实验选用热电阻测量温度。

1）温度测量原理

热敏电阻的阻值会随温度的变化而变化，公式如下：

式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数。

温度的变化会使热敏电阻的阻值发生变化，而阻值发生变化会使电路的电压和电流发生变化，通过测量电路的电压和电流，就能够间接测量出温度。

2）测温电路设计

测温电路图如下

其中R2是热敏电阻，R3、R1、R4是测温电阻。

温度发生变化时，热敏电阻的阻值会发生变化，使R3两端的电压值发生变化，电压跟随器将R3的电压输出，起到隔离的作用。

输出电压值为

，带入热敏电阻阻值公式可得：

这样便得到了温度和电压的对应关系。

但温度和电压的对应关系并不是线性的，选取合适的R3值，能将温度和电压的对应关系线性化。

选取

时线性程度最好。

3）温度与电压的对应关系

由于电压值、热敏电阻的系数和额定值存在一定的误差，若直接用公式求出温度值，会产生较大的误差。

由于温度值与电压值线性程度较高，可以先测出几个温度值和电压值，再用插值法计算出温度。

调节温控炉的开度，当温度稳定时，记下温控炉的温度和单片机测量的AD值。

R

27.7

43.8

47.9

51.8

64.1

68.9

76.0

83.2

89.5

92.1

AD

187

312

340

375

486

538

594

655

702

732

2.单片机程序设计

1）程序功能

单片机的功能有A/D转换、PID计算、输出方波控制温控炉、数码管显示、串口通讯、执行上位机指令、键盘控制等。

设计程序时分别将各个功能写在子函数中，按照一定的时间顺序循环执行。

程序的控制周期是一秒，单片机先通过P1.0口采集电压值，再将电压值经A/D转换为测量值，PID根据测量值计算出温控炉的开度，并将温度和开度发送到上位机上。

若控制方式为上位机控制，上位机接收到信号后计算出开度发送给单片机，单片机不做PID计算。

程序有三个模式，0模式可以通过按键读、写控制器的控制参数和给定值，并用数码管显示数据。

1模式用单片机控制温控炉，并将数据传输到上位机中，2模式用上位机控制单片机，

2）PID控制程序

a）定点数计算

C51计算浮点数的速度较慢，计算定点数较快，计算PID使用定点数计算。

PID计算公式如下：

e为给定值和测量值的误差，12位定点数（小数点在最高位），32位整形。

r为给定值，12位定点数（小数点在最高位），16位整形。

kp、ki、kd为控制器计算参数，写程序时用KI=ki*dt,KD=kd/dt来替代，KI和KD为16位定点数（小数点在第12位），16位整形。

xp、xi、xd为控制器计算值，28位定点数（小数点在第24位），32位整形。

u为控制器输出值，28位定点数（小数点在第24位），32位整形。

计算时先将r和y归一化，然后乘以4096转换为12位定点数，计算得到12位定点数e。

e与16位控制器参数计算得到28位定点数，小数点在第24位上。

经过非线性饱和处理后，取出第24位到第12位的数据作为12位定点数u的数据。

再将u偏移后转换为温控炉的控制量开度。

b）非线性饱和及偏移

为了抗积分饱和以及防止输出量溢出，加入了两个非线性饱和环节。

当积分项xi积累到4096*4096（既1）时，积分项不再增加，当积分项xd积累到-4096*4096（既-1）时，积分项不再减小。

当u的值大于4096*4096-1（既1）时，u=4096*4096-1，当u的值小于0时，u=0。

加入非线性环节饱和后，PID的输出u总是大于0的，没有负输出，故加入一偏移量0.5，使PID的输出范围由0到1.0变为-0.5到0.5。

3）数码管显示

数码管显示利用视觉暂留原理，每20毫秒只显示一个字符，经过5次显示将4位数码管上的数字显示出来。

数码管刷新的前4次显示4位数据，第5次显示小数点。

数码管显示的4个数据都放在字符数组sdata中，其他程序若要改变显示的数据，直接改写sdata中的内容即可。

数码管能显示16进制数，显示的字符形状放在数组table中。

数码管是否显示由标识enable决定，可在定时器中设定在一段时间内enable为0，一段时间内enable为1来实现数码管的闪烁。

数码管显示刷新的程序放在定时器中，计算耗时长的程序以及按住按键时都能正常显示。

4）串口通信

串口通讯采用异步通讯的方式，波特率为9600，停止位为1位，无校验位。

设置定时器1为8位自动重装模式，装入值为0xFD，设置串口通讯模式为8位数据可变波特率模式，并开启串行口中断。

发送数据时，先关闭串行口中断，发送一位数据，判断位TI为1后，先将TI置0，然后再发送下一位数据，数据发送完成后，开启串行口中断。

接收数据时，先将中断位RI置0，再将数据取出。

与上位机约定终值字符为A，接收到数据A时，数据接受完成的标志变量置1。

5）上位机控制指令的接收和执行

上位机与单片机通过ASCII码通讯。

指令的格式为:

字母=数字，例如r=10。

当上位机发送完数据时，就会发送终值字符A。

单片机先将字符收到字符数组中，并记下接收数据的个数，收到字符A时终止接收数据。

单片机先判断首位字母，当字母为p、i、d时，将参数kp、ki、kd更改为等号后的数据，为m时改变程序的模式，为r时改变给定值，为k时改变开度。

等号后的数据为用字符串表示的整数，将字符减去字符’0’后得到对应的数值，然后再加权相加得到传输的数字。

6）A/D采样

STC12系列的单片机在P1口有A/D转换器，能将0至5V的电压信号转换为10位精度的数值，前8位存在寄存器ADC_RES中，后两位存在ADC_RESL中。

设置P1.0口为A/D采样口，打开A/D转换器电源，选择转换周期为540个时钟周期，将转换位ADC_START置1，选择通道为0口。

读取AD转换时，先将AD转换标志位ADC_FLAG清0，待标志位为1时，取出寄存器中的数据加权相加得到10位精度的A/D转换数值。

7）温度与AD测量值的转换

用得到的10组数据线性插值来计算当前的温度和AD值。

先判断当前值位于哪两组数据之间，再根据以下公式计算：

，

8）按键扫描

主程序每循环一次就执行一次按键扫描，对于无源键盘，先将前4口置1，后4口置0，延时防抖后读取前4口的数值来判断是哪一行，再将前4口置0，延时防抖后读取后4口的数值来判断是哪一列，通过行列来判断按下的键盘。

并将按纽标志fkey置1。

对于有源键盘，判断其是否为0，若为0，延时10毫秒后再次判断，若再为0，将标志位置1。

标志位置1后有按键释放判断，若按键未释放，则循环判断直到释放为止。

9）按键的功能表

主程序中的按键功能程序判断按键标志位为1后，执行功能表中对应的内容。

程序模式为0时，按键2为减一，按键3为增1，按键6为右移，按键7为左移，按键A为写入数码管上显示的数据，按键B为读取参数数据，按键E和F为改变参数。

按下按键KA进入模式1。

程序模式为1时，矩阵按键无操作，按下按键KA进入模式0。

程序模式2仅能由上位机控制进入，在模式2下按下按键KA进入模式0。

10）PWM方波

温控炉控制端为低电平时加热，控制端为高电平时不加热。

PWM方波的周期为1秒，定时器的周期为0.5毫秒，既一秒执行2000次，所以开度的值为0到2000，当定时器执行次数小于开度时，输出为低电平，当定时器执行次数大于开度时，输出为高电平，从而实现PWM方波控制。

11）多任务处理

程序被放置在主程序中循环，当标志位为1时执行，其中大部分的标志位由定时器来置1。

定时器0每0.5毫秒溢出一次，溢出2000次（1秒）为一周期。

每次溢出均判断是否改变温控炉控制端电平。

每溢出40次显示一位数码管。

每溢出2000次将1秒标志位置1，程序按照AD转换、PID计算、串口通讯的顺序执行。

3.上位机程序设计

1）上位机串口通信

创建串口对象，设置为8位异步通讯模式，波特率为9600，无校验，1位停止位，设置终止字符为A。

当收到终止字符为A时调用子程序PAD。

串口接收到字符串，PAD程序将字符串转换为数值，第一个数值为温度值，第二个数值为开度，并记录在数组u和Y中，绘制出响应曲线。

2）上位机控制

当控制参数kp、ki、kd、给定值r以及模式值mod发生变化时，上位机向单片机发送指令。

当模式值为2时，上位机接收温度数据并向单片机发送控制量开度。

4.PID算法的设计及其优化

1）系统辨识

设置开度为10，用上位机记录下温度变化的曲线。

将曲线做标准化处理后，先用两点法做初步辨识，再用粒子群算法做精确辨识。

2）PSO参数优化

根据辨识得到的参数，使用经验公式计算出大概值，并用PSO算法得到较好的参数。

5.温控炉控制实验

1）单片机控制

设置给定值为50，待系统稳定后加热到70，稳定后再减少到60.

2）上位机控制

设置给定值为50，先用单片机控制，待系统稳定后输入mod=2,转变为上位机控制，系统稳定后加热到70，稳定后再减少到60。

三、实验结果及分析

1.单片机控制

2.上位机控制

稳定时间大约为3分钟，超调量小于10%，静态误差约为0.2度。

采用PID控制具有较好的控制效果。

由于系统散热为自然散热，温度下降较慢，缩短稳定时间要尽可能的减小超调量。

四、实验中遇到的问题

1.在宿舍做系统辨识时受到风扇干扰，响应曲线稳定后出现周期性波动。

2.设计测温电路时，我们尽可能的增大了20度至100度间电压的范围（0.75V至3.25V），但NTC电阻的实际值与额定值有一定误差，温度为93度时NTC的电压达到了3.5V（LM324输入5V时的放大极限）。

在设计电路时应考虑到误差而留有一定的余量。

3.测温电阻原先贴在金属铜片上，测温测到一半时，测温电阻脱离金属片，只能重新测量数据。

4.测量得到的AD、温度曲线与根据公式计算得到的曲线有一定的偏离。

5.上位机发送浮点数时单片机解析数据会出错，强制转换为整形后修复这个问题。

6.MALTAB发送一条数据后会自动发送字符A，而刚开始认为字符A需要自己发送。

7.测量得到的电压值有一定的扰动，辨识时较难判断迟延环节的参数。

8.辨识得到的参数的响应曲线与实际曲线平均相差1度。

9.系统的超调量比仿真的超调量大。

五、附录

1.上位机主程序

clc;

clearall;

closeall;

globalr;

globalr0;

globalmod;

globalmod0;

globalkp;

globalki;

globalkd;

globalu;

globaly;

globals;

globaldt;

globalop;

globalkiu;

globale0;

globalua;

globalch;

globalcc;

globalkaidu;

r=50;

r0=r;

mod=1;

mod0=1;

cc=[];

%kp=22.7299;

%ki=0.0251;

%kd=0.0572;

kp=37.8831;

ki=0.0622;

kd=13.9845;

kiu=0;

e0=0;

y=[];

op=1;

s=serial（'COM7','Parity','none','StopBits',1）;

set（s,'BaudRate',9600）;

s.terminator='A';

s.DataBits=8;

s.InputBufferSize=4096;

s.OutputBufferSize=4096;

s.BytesAvailableFcnMode='terminator';

s.BytesAvailableFcn=@pad;

%s.BreakInterruptFcn

dt=1;

fopen（s）;

%pause;

%fclose（s）

%delete（s）

%clears

2.上位机子程序

functionpad（s,event）

globalr;

globalr0;

globalmod;

globalmod0;

globalkp;

globalki;

globalkd;

globalu;

globalop;

globaly;

globaldt;

globalkiu;

globale0;

globalua;

globalkaidu;

globalch;

globalcc;

persistentn;

persistentt;

AD=[187312340375486538594655702732];

TD=[27.743.847.951.864.168.976.083.289.592.1];

ifisempty（n）

n=1;

else

n=n+1;

end

out=fscanf（s）;

out=out（1:

end-1）;

a=str2num（out）;

%fori=1:

10;

%ifAD（i）>a

（1）

%break;

%end

%end

%

%ifi==1

%a

（1）=TD（i）-（TD（i+1）-TD（i））*（AD（i）-a

（1））/（AD（i+1）-AD（i））;

%else

%a

（1）=TD（i）-（TD（i）-TD（i-1））*（AD（i）-a

（1））/（AD（i）-AD（i-1））;

%end

fori=1:

10

ifTD（i）>r;

break;

end

end

ifi==1

rad=AD（i）-（AD（i+1）-AD（i））*（TD（i）-r）/（TD（i+1）-TD（i））;

else

rad=AD（i）-（AD（i）-AD（i-1））*（TD（i）-r）/（TD（i）-TD（i-1））;

end

modc=0;

y=[ya

（1）/10];

u=[ua

（2）/20];

t=[tn*dt];

subplot（2,1,1）

plot（t,y）;

gridon;

holdon;

title（'ζÈy'）;

subplot（2,1,2）

plot（t,u）;

gridon;

holdon;

title（'¿ª¶Èu'）;

ifr~=r0

r0=r;

ch=['r=',num2str（r*10）];

fprintf（s,ch）;

end

ifmod~=mod0

mod0=mod;

ch=['m=',num2str（mod）];

fprintf（s,ch）;

modc=1;

end

ifmod==2&&modc==0;

pause（0.2）;

e=rad-a（3）;

kpu=kp*e;

kiu=kiu+ki*e*dt;

kdu=kd*（e-e0）/dt;

e0=e;

ifkiu>4096

kiu=4096;

end

ifkiu<-4096

kiu=-4096;

end

ua=kpu+kiu+kdu+2048;

ifua<0

ua=0;

end

ifua>4096

ua=4096;

end

kaidu=ua/4096*2000-900;

ifkaidu<0;

kaidu=0;

end

ch=['k=',num2str（int32（kaidu））];

fprintf（s,ch）;

end

ifop==0

fclose（s）

delete（s）

clears

end

end

3.数据处理程序

clc;

clearall;

closeall;

loaddx3;

Y=y;

u1=0;

u2=20;

Y1=Y（1:

2000）;

[lp,m]=size（Y1）;

iflp

lp=m;

end

U（1:

lp）=20;

Y2=Y1;

fori=3:

lp-2

Y2（i）=（Y1（i-2）+Y1（i-1）+Y1（i）+Y1（i+1）+Y1（i+2））/5;

end

Y2=de_abnormal（Y2,10）;

y0=Y2

（1）;

Y3=Y2-y0;

nzero=0;

Y4=Y3（1+nzero:

lp）;

U=U（1+nzero:

lp）;

t（1:

lp）=0:

lp-1;

t=t*dt;

t2（1:

1481）=0:

1480;

t2=t2*dt;

t1=t（1:

lp-nzero）;

%plot（t,Y1）;

%holdon;

plot（t1,Y4）;

%subplot（2,1,1）

%plot（t2,u）

%subplot（2,1,2）

%plot（t2,y）

Y=Y4;

savedx11Ydtu1u2;

4.系统辨识主程序

clc;

clearall;

closeall;

loaddx11;

Y=Y（10:

end）;

TA=clock;

[lp,m]=size（Y）;

iflp

lp=m;

end

U（1:

lp）=u2-u1;

Kmax=30;

Kmin=5;

Tmax=500;

Tmin=200;

num=50;

maxv

（1）=（Kmax-Kmin）/10;

maxv

（2）=（Tmax-Tmin）/10;

c1=0.7;

c2=1.4;

c3=1.4;

fori=1:

num

PSO（i,1）=rand（）*（Kmax-Kmin）+Kmin;

PSO（i,2）=rand（）*（Tmax-Tmin）+Tmin;

PSOV（i,1）=rand（）*（Kmax-Kmin）+Kmin;

PSOV（i,2）=rand（）*（Tmax-Tmin）+Kmin;

end

bestPSO（1:

num）=10e40;

solpso=10e40;

Q（1:

num）=10e40;

bestq（1:

num）=10e40;

Khi=[];

Thi=[];

forn=1:

3

forab=1:

20

fori=1:

num

Q（i）=QV（Y,U,dt,PSO（i,1）,PSO（i,2）,n,0）;

Khi=[KhiPSO（i,1）];

Thi=[ThiPSO（i,2）];

ifQ（i）

bestq（i）=Q（i）;

bestPSO（i,1）=PSO（i,1）;

bestPSO（i,2）=PSO（i,2）;

end

end

bestp=Q

（1）;

fori=2:

num

ifQ（i）

bestp=Q（i）;

bestpPSO

（1）=PSO（i,1）;

bestpPSO

（2）=PSO（i,2）;

end

end

ifbestp

solpso=bestp;

solk=bestpPSO

（1）;

solt=bestpPSO

（2）;

soln=n;

end

fori=1:

num

PSOV（i,1）=c1*PSOV（i,1）+c2*rand（）*（bestPSO（i,1）-PSO（i,1））+c3*rand（）*（bestpPSO

（1）-PSO（i,1））;

PSOV（i,2）=c1*PSOV（i,2）+c2*rand（）*（bestPSO（i,2）-PSO（i,2））+c3*rand（）*（bestpPSO

（2）-PSO（i,2））;

ifPSOV（i,1）>maxv

（1）

PSOV（i,1）=maxv

（1）;

end

ifPSOV（i,2）>maxv

（2）

PSOV（i,2）=maxv

（2）;

end

ifPSOV（i,1）<-maxv

（1）

PSOV（i,1）=-maxv

（1）;

end

ifPSOV（i,2）

（2）

PSOV（i,2）=-maxv

（2）;

end

PSO（i）=PSO（i）+PSOV（i）;

ifPSO（i,1）>Kmax

PSO（i,1）=Kmax;

end

ifPSO（i,2）>Tmax

PSO（i,2）=Tmax;

end

ifPSO（i,1）<-Kmax

PSO（i,1）=-kmax;

end

ifPSO（i,2）<-Tmax

PSO（i,2）=-Tmax;

end

end

end

end

time1=etime（clock,TA）;

ks=num2str（solk）;

Ts=num2str（solt）;

ns=num2str（soln）;

QBs=num2str（solpso）;

text1=['k=',ks,',T=',Ts,',n=',ns,',Q=',QBs];