计控温度控制系统设计最终.docx
《计控温度控制系统设计最终.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计控温度控制系统设计最终.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
计控温度控制系统设计最终
控制与机械工程学院
2014年7月11日
电气工程及其自动化专业计算机控制技术课程设计
说明书规范（学生用）
1、说明书基本格式
说明书规定所有文字内容为打印稿，各曲线和轨迹用MATLAB软件绘制。
2、说明书结构及要求
（1）封面
包括：
题目、系别、班级、完成日期、成绩及指导教师（签字）、学生姓名等项。
（2）目录
要求层次清晰，给出标题及页次。
打印时各章题序及标题用小4号黑体,其余用小4号宋体。
行间距为固定值18磅，段
前段后0行。
（3）正文（课程设计报告要求）
正文应按照目录所确定的顺序依次撰写
设计报告要写出详细的设计步骤，每步设计时用到的理论依据和结果，要求计算机辅
助设计过程包括Simulink仿真框图，利用Matlab语言对系统进行辅助设计、仿真和调试。
（4）参考文献（4-6篇）
中外文参考文献按下述顺序和格式书写：
[1]申晋，朱维申等．三峡永久船闸高边坡岩体裂隙分布的分形研究．岩土力学学报，1998，
20（5）:
35—39
[2]
毛昶熙，周名德等．闸坝工程水力学与设计管理
.北京：
水利电力出版社，
1995：
8—9
英文参考文献及期刊杂志
[3]
Tanzi，Vito．Theoryandpolicy：
AcommentonDixieandoncurrenttaxtheory．International
MonetaryandFundStaffPaper（IMF）,Vol.39,No.4,1992:
957-966
著作按下述格式书写：
[4]RudigerDorbusch．PolicymakingintheOpenEconomy．OxfordUniversityPressInc.,1993:
149
3、装订要求
（1）沿左侧装订；
（2）装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、参考文献。
天津城建大学
课程设计任务书
2013—2014学年第2学期
控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业
课程设计名称：
计算机控制技术课程设计13
设计题目：
温度控制系统设计
完成期限：
自2014年7月7日至2014年7月11日共1周
设计依据、要求及主要内容：
热阻丝加热电炉是利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压，改变
流经热阻丝的电流，从而改变炉内温度。
可控硅控制器输入0-5V时，对应炉内温度0-300°，温度传感器的测量值
对应也是0-5V。
被控对象的特性是二阶惯性系统，惯性时间常数20s.
基本要求：
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，从键盘上接受Kp，Ti，Td，
采样周期T和阈值；
3.计算机仿真被控对象，编写仿真程序；
4.通过数据分析T的改变对超调量的影响；
5.总结与思考
6.撰写课程设计说明书。
指导教师（签字）：
教研室主任（签字）：
批准日期：
2014年6月18日
一、设计任务及要求0
二、方案比较论证1
三、系统硬件设计2
3.1系统硬件结构2
3.2系统硬件的选择.2
3.3系统硬件连接图3
四、系统软件设计4
4.1确定程序流程4
4.2程序控制算法介绍6
五、系统仿真8
六、心得与体会10
七、参考资料10
附录1芯片资料11
附录2程序清单12
温度控制系统设计
一、设计任务及要求
热阻丝加热电炉是利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压，改变流经热阻丝的电流，从而改变炉内温度。
可控硅控制器输入0-5V时，对应炉内温度0-300°，温度传感器的测量值对应也是0-5V。
被控对象的特性是二阶惯性系统，惯性时间常数20s.基本要求：
7.设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；
8.编写积分分离PID算法程序，从键盘上接受Kp，Ti，Td，采样周期T和阈值；
9.计算机仿真被控对象，编写仿真程序；
10.通过数据分析T的改变对超调量的影响；
11.总结与思考
12.撰写课程设计说明书。
二、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。
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XX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
550C~1250C。
根据设计要求，综合考虑选择方案一。
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ADC080和9DAC0832。
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的设计框图：
传感器数据采集显示电路
计算机
电炉
控制电路
键盘控制
图1系统结构框图
三、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6264（8kB）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0809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0832输出，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：
四、系统软件设计
4.1确定程序流程
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。
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
自
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e（k）时，采用PD控制；
当e（k）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y（t）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
信号比较
PID调节
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，本次设计采用的是积分分离PID控制算法，PID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：
1
t
e（t）dtTD
de（t）
u（t）Kp[e（t）
]
TI
0
dt
u：
调节器的输出信号；
e：
偏差信号；
K：
调节器的比例系数；
TI：
调节器的积分时间；
TD：
调节器的微分时间。
在计算机控制中，为实现数字控制，必须对式上式进行离散化处理。
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，
tk
e（t）dtTe（i）
0
i0
de（t）e（k）e（k1）
dtT
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：
u（k）Kp[e（k）T
k
（
）
（
）
e（i）TDek
ek1
]
TIi
0
T
k
e（k）e（k
1）
Kpe（k）ki
e（i）kd
i0
T
式中，T为采样时间，
项为积分项的开关系数
1
e（k）
0
e（k）
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
五、系统仿真
被控对象为：
1
G（s）2
（120s）
1
140s400s2
采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算法。
选择合适的Kp，Ki，Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。
MATLAB编写程序如下：
clearall;
closeall;
ts=2;%采样时间2s
sys=tf（[1],[400,40,1]）;
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=10;
ki=0.25;
kd=5;
Simulink仿真图如下：
图6Simulink仿真图
经仿真后，当β=0.02时的仿真图如下所示：
图7β=0.02时的仿真图
当β=0.05时的仿真图如下所示：
图8β=0.05时的仿真图
当β=1.0时的仿真图如下所示：
图9β=1.0时的仿真图
由以上可得，当β值过大时，达不到积分分离的目的，若β值过小，则一旦被控量无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。
六、心得与体会
计算机控制系统课程设计中，通过自己上课学习到的知识，实验中的操作中，课下的搜查资
料中，自己认识到了许多，这些也通过课程设计中显现出来。
我也了解了微机控制中PID积分分离法的基本概念及其对系统设计的相关应用，通过对初步知识的了解，对系统各种方案的比较，进一步了解了微机控制系统的合理性和实用性。
课程设计告一段落，计控的学习在课堂上也相对告一段落。
但作为电气工程及其自动化的学生来说，它的学习还没有结束，课下的思考和研究还将继续。
七、参考文献
[1]张毅刚，MCS-51单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，1997
[2]高峰，单片微机应用系统设计及实用技术，机械工业出版社,2004
[3]胡汉才，单片机原理及其接口技术（第2版），清华大学出版社,2006
[4]孙增圻，计算机控制理论及应用，清华大学出版社,1999
附录1芯片资料
ADC0809芯片
图ADC0809芯片
ADC0809各脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）.
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
A、B、C：
地址输入线。
DAC0832芯片：
图DAC0832芯片
DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装。
其引脚排列如图
（1）数字量输入线D7~D0（8条）
（2）控制线（5条）
（3）输出线（3条）
（4）电源线（4条）
DAC0832的技术指标
（1）分辨率:
8位
（2）电流建立时间:
1μS
（3）线性度（在整个温度范围内）8、9或10位
6所示。
（4）增益温度系数:
0．0002％FS/℃
（5）低功耗:
20mW
（6）单一电源:
+5~+15V
附录2程序清单
积分分离PID控制算法子程序：
START：
MOV68H,KP
；分别将KP，TI
，TD，T，β送入指定的存储单元
MOV54H,TI
MOV55H,TD
MOV56H,T
MOV57H,β
MOVA,68H
；计算K=K*T/T
I
IP
MOVB,56H
MULAB
MOVB,54H
DIVAB
MOV69H,A
MOVA,68H
；计算K=K*T/T
DPD
MOVB,55H
MULAB
MOVB,56H
DIVAB
MOV6AH,A
LOOP0:
MOVDPTR#7FF0H
MOV@DPTR,A
LOOP1JBP3.3,LOOP1
MOVXA,@DPTR
MOV5CH,A
MOVDPTR,#7FF1H
MOVX@DPTR,A
LOOP2:
JBP3.3,LOOP2
MOVXA,@DPTR
MOV49H,A
MOVA,5CH
CLRC
SUBBA,50H
JNCAA0
CPLA
ADDA,#01H
AA0:
MOVR0,57H
SUBBA,57H
JNCAA1
SJMPAA2
AA1:
LCALLPD
AA2:
LCALLPID
MOVA,7CH
MOVDPTR,#7FF2H
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
MOVX@DPTR,A
LCALLDELAY
SJMPLOOP0
；读取预定温度值，送ADC0809的IN0口地址
；启动A/D转换
；等待转换数据
；读取ADC0809的IN0口转换后的数据
；将预定值数据放入指定的存储单元
；读取采样温度值，送ADC0809的IN1口地址
；启动A/D转换
；等待转换数据
；读取ADC0809的IN1口转换后的数据
；将采样值数据放入指定的存储单元
；计算ei，先取温度给定值
；温度给定值-采样值
；判断ei的正负，如果为正，跳至AA0
；ei为负，下两条指令求补
；|ei|-β
；|ei|>β跳至AA1
；|ei|<β跳至AA2
；调用PD算法
；调用PID算法
；将△Ui通过DAC0832输出
；调用延时子程序，等待下一次采样计算
；进入下一次控制计算
DELAYPROCNEAR
DL0:
MOVR6,#FFH
DL1:
MOVR7,#FFH
DL2:
MOVR5,#FFH
DLS:
DJNZR5,DLS
DJNZR7,DL2
DJNZR6DL1
RET
DELAYENDP
PIDPROCNEAR
PID:
MOVA,5CH
；计算ei，先取温度给定值
CLRC
SUBBA,50H
；温度给定值-温度检测值
JNCPID1
；判断ei正负，如果为正，跳至PID1
CPLA
；e为负，下两条指令求补
i
ADDA,#01H
SETB30H
；e为负，符号位置1
i
SJMPPID2
PID1:
CLR30H
；e为正，符号位置0
i
PID2:
MOV6BH,A
；ei值存放在6BH单位元中
MOVR1,6BH
；计算e-e
i-1
，先将e值，送R1
i
i
MOVC,30H
；将e的符号位值送20H位
i
MOV20H,C
MOVR2,6CH
；将e
值送R2
i-1
MOVC,31H
；将ei-1
的符号位值送21H位
MOV21H,C
LCALLDJF
；调用单字节带符号的减法子程序
MOV6EH,R3
；将差值ei-ei-1
送6EH单元
MOVC,22H
；将差值ei-ei-1
的符号位送33H位
MOV33H,C
MOVR1,6CH
；计算ei-1
-ei-2
，先将ei-1值送R1
MOVC,31H
；将ei-1符号位送20H位
MOV20H,C
MOVR2,6DH
；将ei-2的值送R2
MOVC,32H
；将ei-2
的符号位值送21H位
MOV21H,C
LCALLDJF
；调用单字节带符号的减法子程序
MOV6FH,R3
；将差值ei-1
-ei-2送6FH单元
MOVC,22H
；将差值ei-1
-ei-2的符号位送34H位
MOV34H,C
MOVR1,6EH
；计算（ei-ei-1
）-（ei-1-ei-2），将ei-ei-1值送R1
MOVC,33H
；将ei-ei-1
符号位送20H位
MOV20H,C
MOVR2,6FH
；将e
-e
i-2
值送R2
i-1
MOVC,34H
；将e
-e
i-2
符号位送21H位
i-1
MOV21H,C
升级会员 