蒸汽电熨斗温度控制器毕业论文.pdf

内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 1 内蒙古化工职业学院内蒙古化工职业学院 毕业设计毕业设计( (论文、专题实验论文、专题实验) )任务书任务书 姓名蔺旺专业电气自动化班级10-1 班 指导教师殷钢、陈建强 题目蒸汽电熨斗温度控制器 原始数据 说明书 (论文、实验) 主要内容 图纸要求 对学生 综合训 练方面 的要求 完成期限自年月日至年月日 备注: 毕业论文的任务书可对原始数据及图纸要求两项不作要求、 专题 实验可对图纸一项不做要求。 签发:日期:年月 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 I 蒸汽电熨斗温度控制器 摘 要 本文设计了一个蒸汽电熨斗温度自动控制器。本设计以电源电 路、水位监测电路、温度检测电路和控制执行电路组成控制集和于一 体，它除能对蒸汽电熨斗进行自动温度控制外，还能在电熨斗内缺水 时及时切断其工作电源， 防止电加热器无水干烧， 实现智能温度控制。 并采用软件程序实现升温的调节， 能对加热炉的升温速度和保温时间 严格控制。 单片机控制系统由微处理器和工业生产对象两大部分组成， 本文 是通过热敏电阻和单片机等， 来实现对工程上一些系统的温度进行范 围控制的过程。目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子 式温度控制器两大系列。 且国际上新型温度控制器正从模拟式向数字 式、电子式；从集成化向智能化、网络化的方向发展。在当今电子信 息时代， 电子自动化、 信息采集控制在任何行业都是不可逆转的潮流。 温度控制器发展初期是机械式温度控制器， 这类温度控制器采用双金 属片或充气膜盒感测室内温度，使用波段开关直接调整风速。了解国 内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用 及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。 关键词：测温，PID 算法，结构原理，温度控制器 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 I 目录 摘摘 要要I 第第 1 1 章章前前 言言1 1.1概述2 1.2课题分析2 1.3设计思路2 第第 2 2 章章 系统的基本组成及工作原理系统的基本组成及工作原理3 2.1系统的基本组成3 2.2系统的基本工作原理3 2.3系统元器件的选用4 第第 3 3 章章 测温电路的选择及设计测温电路的选择及设计5 31热电偶测温电路5 3.1.1 热电偶5 3.1.2 毫伏变送器6 3. 2热敏电阻测温电路6 3.2.1 热敏电阻6 3.2.2 关于铂电阻的特性7 3.2.3 温度测量电路7 第第 4 4 章章 电熨斗工作原理及使用方法电熨斗工作原理及使用方法7 4.1 电熨斗工作原理7 4.2 电熨斗主要组成7 4.3 电熨斗使用方法7 第第 5 5章章 温度控制器的分类温度控制器的分类6 第第 6 6 章章 温度控制的算法温度控制的算法8 6.1 PID 简介 6.2 PID 算法种类 第第 7 7 章章 掉电保护功能电路掉电保护功能电路14 第第 8 8 章章 温度控制电路温度控制电路15 8.1 温度控制电路15 8.2 控制规律的选择16 总总结结27 致致谢谢28 参考文献参考文献29 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 1 - 附附录录30 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 0 - 第 1 章 前 言 1.1 概述 社会在发展，科技在进步，测温仪器在各个领域的应用，各种温度控制系统迅速 发展。近年来，温度控制系统已广泛应用各个方面，然而温度控制一直是一个未开发 的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度 控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。 温度是一个重要的物理量它反映了物体的冷热程度， 与自然界中的各种物理与化 学过程相联系，再生产过程中，各个环节都与温度有紧密联系，因此人们非常重视温 度的测量。温度概念的产生及温度的测量都是以热平衡为基础，当两个冷热程度不同 的物体接触后就会产生导热,换热，换热结束后两物体处于平衡状态，因此他们具有 最本质的性质。温度控制系统对温度进行检测和控制，任何工厂在生产过程中如果没 有合适的温度环境，很多的器件甚至是电子设备都不能正常的工作，从而多生产的产 品质量有很大的影响，所以各行各业对温度的要求的愈来愈高，所以，温度控制系统 的作用非常重要。 温度控制系统的控制系统是温度，在我们日常生活中，温度控制使非常重要的， 在温室、水池、电源等场所不能对温度有效的控制，则会出现很多事故，所以为了避 免此类事故的发生，温度控制应当受到重视。 本设计不仅实现了对温度的检测，还实现了温度控制、显示功能，当温度大于设 定的温度时，报警器报警；当温度小于设定的值时，报警器不报警，从而实现对温度 的控制，并且还可以实现按键复位功能。 目前主要有模拟、集成机械式温度控制器和智能电子式温度控制器两大系列。且 国际上新型温度控制器正从模拟式向数字式、电子式；从集成化向智能化、网络化的 方向发展。在当今电子信息时代，电子自动化、信息采集控制在任何行业都是不可逆 转的潮流。 本设计主要研究蒸汽电熨斗的温度控制器， 通过分析其结构和工作原理来更深刻 的学习温度控制系统，以及未来的发展前景。尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计 算机系统接口、智能化外设等应用领域发展很快。它的应用对于产品升级换代、机电 一体化都具有重要的意义。在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和 开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多 领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控 制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 1 - 以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 1.2 课题分析 根据设计要求，该温度控制器是既可以测量温度也可以控制温度，其组成框图如图 1 所示。 图 1温度控制器原理框图 因为要求对温度进行测量显示， 所以首先采用温度传感器， 将温度变化转换成相应的电信号， 并通过放大、滤波后送 A/D 转换器变成数字信号，然后进行译码显示。若要求温度被控制在设定 值附近，则要求将实际测量温度的信号与温度的设定值(基准电压)进行比较，根据比较结果（输 出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的温度。测量的温度可以与另一个设定的 温度上限比较器相比较，当温度超过上限温度值时，比较器产生报警信号输出。 1.3 设计思路 首先，收集大量相关资料， 参考多种温度控制器方案并确定出自己将要设计的方 案；(根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。此外，整个控 制系统可分为硬件电路设计和软件程序设计两大部分。可分别对它们进行分析设计) 再对自己打算设计的方案进行仿真调试；当仿真调试得到理想效果时，再将设计好的 原理电路制成 PCB 板；随后清点需要的元器件，并购买；最后，按照自己设计的电路 完成实物并调试。 第 2 章 系统的基本组成及工作原理 2.1 系统的基本组成 在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要 被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对 各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度 进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 2 - 的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 本系统是电源电路、水位监测电路、温度检测电路电源电路、水位监测电路、温度检测电路和控制执行电路控制执行电路组成。 1、电源电路部分 控制系统主控制部分电源需要用5V直流电源供电，把频率为50Hz、有效值为220V 的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经 过电 源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。 由于输入电压为电网电压， 一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值 相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所 以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。 由于经整流电路整流后的电压含有较大 的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压 平滑。 稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影 响，从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳 压问题。 图 4温度控制及超温报警电路 2、温度检测及信号处理 温度检测是温控系统的最关键部分，它只接影响整个系统的测量、控制精度。目前检测 温度的传感器很多，其测量范围、应用场合等也不尽相同。例如热电偶温度传感器目前在工业生 产和科学研究中已得到了广泛的应用，它是将温度信号转化成电动势。目前热电偶温度传感器已 形成系列化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时可以不需要外加电源； 结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制；测量温度范围广，高温热电偶测温 高达 1800以上，低温热电偶可测-260以下，目前主要用在高温测量工业生产现场中。热电阻 温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度的，目前应用较为广泛的热材料 是铜和铂。在铜电阻和铂电阻中，铂电阻性能最好，非常适合测量-200+960范围内的温度。 国内统一设计的工业用铂电阻常用的分度号有 Pt25、Pt100 等，Pt100 即表示该电阻的阻值在 0 时为 100。随着半导体集成电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 3 - 集成温度传感器的工作原理是利用 PN 结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传 感器相比，集成温度传感器主要特点有：灵敏度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复 性好；响应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55+150。根据本课题设计的要求， 可选用集成温度传感器。 由于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好的测量和显示，需要放大器、滤 波器等电路对信号进一步处理。 对放大器的要求是精度要高， 输入失调电压和输入失调电流要小， 同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。 3、 温度控制及驱动电路 本设计要求温度可以设定，并要求温度被控制在设定的值附近，所以该系统应该是一个 闭环控制系统。实现对温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智 能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制 是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动一开关器件（一般是继电器）控制 加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使 温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加 热，温度将下降。这样继电器反复动作，温度将被控制在设定值附近。 开关式温度控制方法的优点是电路简单，缺点是控制精度较低，并且在设定温度附近，频繁启动 继电器，影响继电器的使用寿命。比例式控制是选择一个固定的时间 T 作为控制周期，选择控制 周期的长短一般根据加热的热容量选取，热容量大的可选择控制周期长一些，一般选择 T=1015 秒。当温度低于设定的温度较多时，在一个控制周期 T 内接通加热器电源的时间就比较长（假设 为 t） ，随着温度的升高，加热时间 t 逐渐减少；当温度高于设定的温度时，加热时间 t 等于零， 温度逐渐下降，最后使温度接近稳定。该方法控制温度精度将大大提高。连续控制是根据测量温 度的大小自动连续调节加热器电流的大小，当温度大于设定的温度时，可自动的控制减小加热器 的电流，反之则增大电流，可使温度自动的保持在设定的温度上，该方法控制稳定的精度最高， 电路也比较复杂，同时要求一个可控的功率器件实现对加热器电流大小的控制。 2.2 系统的基本工作原理 蒸汽电熨斗温度控制器电路原理图如图所示， 220V 见刘电压经 T 降压、 VD1 VD4 整流、C1 滤波及 IC1 稳压后，产生直流+12V 电压，供给 IC2 和控制执行电路， 同时也将 VL2 点亮。 在刚接通电源时，RT 的电阻值较大，D2 因正相输入端的电压高于反相输入端的 电压而输出高电平，使 VT3 饱和导通，K 吸合，其常开触点将蒸汽炉内电加热器 EH 的工作电源接通，EH 开始加热，蒸汽炉内开始升温。 随着蒸汽炉内温度的升高，RT 的电阻值逐渐减小，使 D2 正相输入端的电压逐渐 下降。当 D2 得正相输入端电压低于其反相输入端电压时，D2 输出低电平，使 VT3 截 止，K 释放，EH 断电而停止加热。随后蒸汽炉内温度又开始下降，RT 的电阻值则逐 渐增大，D2 正相输入端的电压也开始缓慢上升，当 D2 得正相输入端电压高于其反相 输入端电压时，D2 输入高电平，使 VT3 导通，K 吸合，EH 开始通电加热。如此周而 复始，使蒸汽电熨斗的蒸汽炉内的温度恒定在设定温度附近。调整 RP 的电阻值，可 以改变 D2 反相输入端的基准电压值，从而改变控温范围。 使用中随着电熨斗不断排放蒸汽，蒸汽炉内水位逐渐降低。在水位高于水位监测 电极时，D1 输出低电平，VT1 和 VT2 处于截止状态，VL3 不发光。当水位降至水位监 测电极以下时，D1 的正相输入端电压将高于反相输入端的基准电压，D1 输出高电平， 使 VT1 和 VT2 导通，VL2 点亮，指示电熨斗内缺水；同时 VT3 截止，K 释放，EH 断电， 防止 EH 无水干烧。 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 4 - 2.3 系统的元器件选用 IC1 选用 LM7812 三端稳压集成电路； IC2 选用 LM393 或 LM393 或 LM358 运算 放大集成电路。 VT1 和 VT2 均选用 S9013 型硅 NPN 晶体管； VT3 选用 S8050、 C8050 或 3DG8050 型硅 NPN 晶体管。 VD1VD5 均选用 1N4007 型硅整流二极管。VL1VL3 均选用3mm 发光二极管， VL1 选黄色，VL2 选红色，VL3 选绿色。 R1R12 选用 1/4W 碳膜电阻器或金属膜电阻器；RP 选用小型实心电位器。 RT 选用 1k负温度系数热敏电容器。 C1 选用耐压值为 25V 的铝电解电容器；C2 和 C3 均选用独石电容器；C4 选用耐 压值为 16 的铝电解电容器。 T 选用 23W、二次电压为 1617 的电源变压器。 第 3 章 测温电路的选择及设计 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 5 - 3.1 热电偶测温电路 3.1.1 热电偶 热电偶是将温度量转换成电势大小的热电传感器，它被广泛用来测量 100 1300范围内的温度，它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温 度，集中检测，自动记录等特点。 2 图 3.1 热电效应 如图，将两种不同材料导体 A、B 两端接在一起，一端温度为 0 T，另一端为 T（T 0 T） ， 这时在这个回路中将产生一个与温度 0 T、 T以及导体料性质有关的电势 AB E（T、 0 T） ，这样构成的热电变换元件称为热电偶，可用来测量温度，这种热电效应产生的 电势 AB E（T、 0 T）是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的。 常见的几种标准化热电偶有： 铂 10 锗铂热电偶 （WRLB） （分度号 LB-3） 、 铂 30 铑 铂 6 铑热电偶（WRLL） （分度号：LL-2） ：镍铬、镍硅或镍铬镍铝热电偶（WREV） （分度号 EV-2） ：镍铬考铜热电偶（WREA） （分度号 EA-2） 。 3.1.2 毫伏变送器 毫伏变送器是电动单元组合仪表中的一种，它可以将来自热电偶的 MV 级信号转 换为电流输出，同时还能对热电偶温电曲线进行校正，从而使热电偶检测的温度值 与变送器的输出具有线性关系，本系统中所有用的变送器为 EX 系列仪表中的热电偶 温度变送器它的输入电路有冷端补偿和断偶保护措施，负反馈电路具有线性功能。 线性功能： 毫伏单元变送用折线近似地代替曲线构成非线性负反馈使变送器整个 闭合的特性具有非线性，如果这个非线性的规律和所用热电偶特性曲线互相抵消，就 可以使输出电压和电流具有完全正比于温度的性能。 为了提高测量精度，可将变送器进行零点迁移，当温度范围为 4001000， 热电偶输出 16.441.32mv， 使变送器输出 010mv,其输出经过电流电压变换电路转 换为 05v 电压信号，这样，使用 8 位的 ADC 使量化误差达2.34。 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 6 - 3.2热敏电阻测温电路 3.2.1 热敏电阻 利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻式测温系统，常用于测量 -200+500范围内的温度，大多数金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性， 其特性方程如下： 00 1() i RRa tt i R、 0 R分别为热电阻在 t和 0时的电阻值。 a 为热电阻的电阻温度系数（1/） 对于绝大多数的金属导体，a 并不是一个常数，而是温度的函数，不同的金属导 体，a 保持常数所对应的温度范围不同，选作感温元件的材料应满足如下要求： 材料的电阻温度系数 a 越大，热阻的系数大，最敏度越高，纯金属的 a 比合金 的高，所以一般采用纯金属作热敏电阻元件。 在测温范围内，a 保持常数，便于实现温度表的线性刻度特性。 具有比较大的电阻率，有利于减少热电阻的体积，减少热惯性。 特性复现性好，容易复制。 3.2.2 关于铂电阻的特性 铂的物理化学性能非常稳定，是目前制造热电阻的比较好的材料，有很好的稳定 性和测量精度。 铂的使用温度范围-200+600 0100的电阻温度系数平均值（ 3 10/）为 3.923.98，电阻率为（ 2 mm） 0.098100.106 在 0时，铂的电阻值 0 R=100 3.2.3 温度测量电路 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 7 - 图 3.2 温度测量电路 本电路主要分为两个部分：一部分是温度传感，一部分是信号放大。热敏电阻 Rt 随着温度的不同而输出相应的电阻值，从而在各个输出端输出不同的电压值，形 成一个微弱的电压信号。这个电压信号经运放放大处理后，最终输出一个反应温度情 况的可识别电压信号 Uo。 第 4 章 电熨斗工作原理及使用方法 4.1 电熨斗工作原理 1、温控原理：尼龙660100 度合成纤维100125 度麻200230 度 丝绸125150 度羊毛150180 度棉200230 度 2、蒸汽旋钮结构原理： 蒸汽旋钮下边有蒸汽杆及蒸汽轴针来控制出水量的大小从而调控蒸汽的大小。 3、电熨斗的工作原理： 当接通电源时，调节恒温器通过加热管与熨斗底盘加热，当温度升高到一定时，恒温器断开， 熨斗不再加热，指示灯熄灭。当温度降低时，恒温器接通使之加热。 4、蒸汽原理： 熨斗通电后，电热盘加热升温，当到达一定的温度时调节蒸汽旋钮到最大，水从水箱中通过 硅胶帽滴到底盘中形成蒸汽，蒸汽从底盘的蒸汽孔喷出。熨斗底盘是经过处理的，它内部是环绕 沟槽，沟槽喷有汽化剂。汽化剂的作用是使水快速雾化并喷出。 5、防钙化装置原理： 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 8 - 在北方等水质较硬的地方，熨斗用久了就会在电热盘，蒸汽腔以及蒸汽轴针上形成水垢，直 接影响蒸汽和强力蒸汽的效果。通过设置于水箱中的离子交换树脂，可以吸收水中钙离子和金属 离子软化水质，防止水垢的形成，从而延长熨斗的使用寿命。 6、使用原理： 使用蒸汽熨斗时，指示灯灭后表示温度达到设定温度时再开始熨，否则水有可能从底板漏出， 这并不表示熨斗坏了，而是因为温度不够，不能将水变成蒸汽。 4.2 电熨斗主要组成 底板、恒温器、温度保险丝、隔热基座、水箱、泵体等。 底板多采用铝合金材料且光滑耐热的杜邦银石不粘涂料（特富龙、钛金涂料）或包上不锈钢 薄板。电热管是一种封闭式的热阻件，电阻至镀铜钢管中在管内充填结晶氧化镁粉，绝缘作用。 电路中限流电阻 220K。熨斗外壳采用高强度树脂，耐高温，隔热，耐冲击的等。采用日本原装 的温控器，感温精确。银合金开关触点，触电不易氧化，使用寿命长。 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 9 - 4.3 电熨斗使用方法： 1. 使用前应将电源芯线中的黄绿双色线接地，以防万一漏电而造成触电危险 。 2 抬起前端使加水口向上， 用量杯将经过煮沸的水从加水口慢慢注入。 加水量的多少， 可 按 熨斗储水器的容积大小而定。 3 对装有水位玻璃的电熨斗， 可将熨斗竖立， 观察储水器内水位的高低， 根据需要进行加 水。 4 在蒸汽电熨斗的织物指示牌上， 织物名称的标注与调温型电熨斗基本相同。 所不同的是 另 加一个“蒸汽“标记。 5电熨斗接通电源，将温度控制旋钮拧到“羊毛“与“麻布“档之间的位置上，指示灯应 发光。 当指示灯熄灭时，说明熨斗底板温度已达到所需要值。如果熨斗内已加水，应有蒸汽 喷出，“可 进行熨烫。 6 可以用蒸汽型熨斗进行干熨。 方法是根据被熨烫的织物品种， 调整温度控制旋钮， 选择 适 当的底板温度。之后，调整蒸汽旋钮至“0“位置即可。 7 用后应将储水器中的剩余水从加水口倒出， 倾倒时应使熨斗前端朝下， 同时摇动电贸斗 ， 水即可倒出。然后将温度旋钮调到最高温度档，通电数分钟使内部水分全部蒸发。然后切 断电 源，将温控旋钮旋回最低温度档，待自然冷却后收藏。 第 5 章温度控制器的分类 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 10 - 以温控器制造原理来分，温控器分为： 一.突跳式温控器：各种突跳式温控器的型号统称 KSD，常见的如 KSD301,KSD302 等，该温控器是双金属片温控器的新型产品，主要作为各种电热 产品具过热保护时，通常与热熔断器串接使用，突跳式温控器作为一级保护。 热熔断器则在突跳式温控器失娄或失效导致电热元件超温时，作为二级保护自， 有效地防止烧坏电热元件以及由此而引起的火灾事故。 1 二,液涨式温控器：是当被控制对象的温度发生变化时使温控器感温部内的 物质（一般是液体）产生相应的热胀冷缩的物理现象（体积变化），与感温部 连通一起的膜盒产生膨胀或收缩。以杠杆原理，带动开关通断动作，达到恒温 目的液胀式温控器具有控温准确，稳定可靠，开停温差小，控制温控调节范围 大，过载电流大等性能特点。液涨式温控器主要用于家电行业，电热设备，制 冷行业等温度控制场合用。 三，压力式温控器，改温控器通过密闭的内充感温工质的温包和毛细管， 把被控温度的变化转变为空间压力或容积的变化，达到温度设定值时，通过弹 性元件和快速瞬动机构，自动关闭触头，以达到自动控制温度的目的。它由感 温部、温度设定主体部、执行开闭的微动开关或自动风门等三部分组成。压力 式温控器适用于制冷器具（如电冰箱冰柜等）和制热器等场合。 四，电子式温控器，电子式温度控制器（电阻式）是采用电阻感温的方法 来测量的，一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及热敏电阻等作为测温电阻，这些 电阻各有其优确点。一般家用空调大都使用热敏电阻式。 第 6 章温度控制算法 6.1 PID 简介 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 80 年历史，它以其结构简单、 稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构 和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时， 控制理论的其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定， 这时应用 PID 控制技术最 为方便5。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段 来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式4。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关 系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有 稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 11 - 很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一 步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（D）控制：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(delay)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。 6.2 PID 算法的种类 PID 的基本算式有：位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型 式。设 u(n)为本周期 PID 控制器的输出（控制量） ，e(n)为本周期的 PID 输入偏差信 号，e(n-1)为上一个周期的偏差信号，e(n-2)为上上个周期的偏差信号。KP 为比例增 益，Ti 为积分时间，Td 为微分时间，则 PID 基本算式的公式如下： 1）位置型 PID 算式 )1()()()()( 0 nene T Td ie Ti T neKpnu n i （3.1） 根据微分方程和差分方程的对应关系可知，如果微分方程中的积分运算对应差分 方程 的累加运算，微分方程对应一个周期的增量变化，则能很容易的推导出表达式 3.1。 2）增量型 PID 算式 )1()()()()(nene T Td ne Ti T neKpnu （3.2） 由增量型 PID 算式也可以得到 PID 控制器的位置输出： )() 1()(nununu （3.3） 3）速度型 PID 算式 速度型 PID 算式的输出值和执行器的位置变化率（如调节阀的开度变化率、直流 伺服电机的转动速度等）相对应，它是由增量型 PID 算式除以 T 得到： )1()()()( )( nene T Td ne Ti T ne T Kp T nu 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 12 - 第 7 章掉电保护功能电路 掉电保护电路功能的实现有两种方案：一是选用 EROM 将重要数据置于其中,二 是加接备用电池，如下图所示， 稳压电源和备用电池分别通过二级管接于存储器或单 片机的 Vcc 端，当稳压电源电压大于备用电池电压时，电池不供电，当稳压电源掉电 时，备用电池工作。 9 仪器内还应设置掉电检测电路，以便在一旦检测到失电时，将断点（PC 及各种 寄存器）内容保护起来，图中 CMOS555 接成单稳形式，掉电时 3 端输出低电平脉冲作 为中断请求信号。光电耦合器的作用是防止干扰而产生误动作，在掉电瞬时，稳压电 源在大电容支持下，仍维持供电，这段时间主机执行中断服务程序，将断点和重要数 据置入 RAM。 6 图 5.1 掉电保护功能图 第 8 章 温度控制电路 8.1 温度控制电路 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 13 - 温度控制电路采用可控硅调功方法， 双向可控硅相当于一双反相并联的普通可控 硅，具有正反相都能控制导通的特性，可用作调温器。将它串在 50HZ 交流电源和加 热丝电路中，只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间，就能改变加热功率，从 而实现温度的调节。 13 图 8.1 可控硅调功器输出功率与通断电 T 关系 对于这样的执行机构， 单片机只要输出能控制可控硅通断时间的脉冲作为信号就 可以了，这可用一条功线通过程序输出控制脉冲。 为了达到过零触发的目的，需要交流电过零检测电路，此电路输出对应于 50HZ 交流电压过零时刻的脉冲作为触发双向可控硅的同步脉冲， 是可控硅在交流电压过零 时刻触发导通，电路如下图： 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 14 - 图 8.2 过零触发电路 图中电压比较器 LM311 将 50HZ 正弦交流电压变为方波，方波的正跳沿和负跳沿 分别作为两个单稳触发器的触发信号， 单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合就 得到对应于 220V 市电过零时刻的同步脉冲。此同步脉冲一路作为触发同步脉冲加到 温控电路，一路作为计数脉冲加到单片机 8031 和 P3.4、P3.5 输入端。 8.2 控制规律的选择 电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节作用过程： 比较实际炉温和需要炉温得到的 偏差通过对偏差的处理获得控制信号去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控 制。 按照偏差的比例，积分和微分产生控制作用，简称 PID 控制,是过程控制中应用 最广泛的一种控制形式，通过对实际运行效果和理论分析表明，这种控制规律在相当 多的工业生产中能得到比较好的效果。 计算机 PID 算法是用差分方程近似实现的。 用微分方程表示 PID 调节规律的理想算式为： 1( ) ( ) ( )( ) 0 t de t U tKp e te t dtTd Tidt 式中 e(t)=r(t)-y(t)为偏差信号，是调节器的输入信号;r(t)是给定值;y(t)为被控 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 15 - 变量;U(t)为调节器输出的控制信号;Kp 为比例系数;Ti 为积分时间常数;Td 为微 分时间常数。 计算机只能处理数字信号， 若采样周期为 T， 第几次采样输入偏差为 en， 调节器输出为 Un,PID 算法中的微分 de dt 用差分 1nn ee T 代替，积分( ) 0 t e t dt 用ek 代 替，于是得到 1 0 1 n nn k ee UnKp enekTTd TiT ,写成递 推形式： 1112 (2) nnnn TTd UnUKp eneenenee TiT 改写成： 112 (1)2(1) nni ndnnnPID Un U nKp eeKeK eeeU nPPP 由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中 KP、KI、KD 的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验,在程序中假设都为正小数,参与运 算的数都变为计算机易于处理的形式，数据处理方法如下： （1） 把所有的数都变成定点纯小数进行处理 （2） 算式中的各项都有正负，用补码表示,计算结果以原码输出。 （3） 双精度运算，为了保证运算精度把单字节 16 位进行运算，最后结果取 8 位有效值输出。 内蒙古化工职业学院毕业设计用纸 - 16 - 总 结 本设计使用的温度控制器结构简单、测温准确，具有一定的实际应用价值。该温 度控制器只是在温度控制领域的一个简单实例，还有许多需要完善的地方，例如可以 将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短消息的方式发送给用户，使用 户能够随时对温度进行监控。此外，还能广泛地应用于其他一些工业生产领域，如建 筑，仓储等行业。本温度控制系统可以应用于多种场合，像育婴房的温度、水温的控 制。用户可灵活选择本设计的用途，有很强的实用价值。 通过这次课程设计，让我对温度控制有了进一步的了解、巩固和加深，并且对所 学知识的得以实际应用。 回顾起此次课程设计， 至今我仍感慨颇多， 的确， 从选题到定稿， 从理论到实践， 在短短的三个星期的日子里， 可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很多的的东西， 同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知 识。通过这次温度控制器的设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论 知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在此次温度控制器的设计过程中，让我了解到了现代电子产品的设计和工作原 理。以前在实际生活中看到的电子产品例如彩灯、交通灯、电磁炉、电饭煲等，就只 会用他们并不知道他们的工作原理， 通过这次课程设计对这些产品的原理有了深入的 了解。 同