计控专业毕业论文-温度控制系统设计

控制与机械工程控制与机械工程学院学院 2014 年年 7 月月 11 日日 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 1、说明书基本格式、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 2、说明书结构及要求、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 助设计过程包括助设计过程包括 Simulink 仿真框图仿真框图，利用利用 Matlab 语言对系统进行辅助设计语言对系统进行辅助设计、仿真和调试仿真和调试。 （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):3539 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，1995：89 英文参考文献及期刊杂志 3Tanzi， Vito Theory and policy： A comment on Dixie and on current taxtheory International Monetary and Fund Staff Paper (IMF), Vol.39, No.4, 1992: 957-966 著作按下述格式书写： 4Rudiger DorbuschPolicy making in the Open EconomyOxford University Press Inc., 1993: 149 3 3、装订要求、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 学年第学年第 2 学期学期 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：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 p K， i T， d T， 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 目录 一、设计任务及要求. 1 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 1 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：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 p K， i T， d T，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CC 00 12555。 2 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 0300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： 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，3 2 根 I/O 线，4 kB 片内 ROM 存储器，128 kB 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 128 B 的 RAM 存储器，不够本系统使用，因此，采用 6264(8 kB)的 RAM 作为外部数据存储器。 显示电路 键盘控制 电炉 传感器 数据采集 控制电路 计算机 3 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： 4 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。自 5 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)(ke 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)(ke时，采用 PD 控制； 当)(ke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)(ty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： 6 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 )()( 0 t D I p dt tde Tdtte T teKtu 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， 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 7 k i t iTedtte 0 0 )()( T keke dt de) 1)() t ( （ 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： T 1keke kiekeK T 1keke Tie T T ke Kku d k 0i p k 0i I p ）（）（ ）（）（ ）（）（ ）（）（）（ i D k 式中，T 为采样时间，项为积分项的开关系数 )( )( 0 1 ke ke 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 8 五、系统仿真 被控对象为： 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： clear all; close all; 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 6 Simulink 仿真图 经仿真后，当=0.02 时的仿真图如下所示： 9 图 7 =0.02 时的仿真图 当=0.05 时的仿真图如下所示： 图 8 =0.05 时的仿真图 当=1.0 时的仿真图如下所示： 10 图 9 =1.0 时的仿真图 由以上可得，当值过大时，达不到积分分离的目的，若值过小，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 11 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： 12 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 6 所示。 （1）数字量输入线 D7D0（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:1S （3）线性度（在整个温度范围内）8、9 或 10 位 （4）增益温度系数:00002 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：MOV 68H,KP；分别将 KP，TI，TD， T，送入指定的存储单元 MOV 54H,TI MOV 55H,TD MOV 56H,T MOV 57H, MOV A,68H；计算 KI=KP*T/TI MOV B,56H MUL AB MOV B,54H DIV AB MOV 69H,A MOV A,68H；计算 KD=KP*TD/T 13 MOV B,55H MUL AB MOV B,56H DIV AB MOV 6AH,A LOOP0: MOV DPTR #7FF0H；读取预定温度值，送 ADC0809 的 IN0 口地址 MOV DPTR,A；启动 A/D 转换 LOOP1JB P3.3,LOOP1；等待转换数据 MOVX A,DPTR；读取 ADC0809 的 IN0 口转换后的数据 MOV 5CH,A；将预定值数据放入指定的存储单元 MOV DPTR,#7FF1H；读取采样温度值，送 ADC0809 的 IN1 口地址 MOVX DPTR,A；启动 A/D 转换 LOOP2:JB P3.3,LOOP2；等待转换数据 MOVX A,DPTR；读取 ADC0809 的 IN1 口转换后的数据 MOV 49H,A；将采样值数据放入指定的存储单元 MOV A,5CH；计算 ei，先取温度给定值 CLR C SUBB A,50H；温度给定值-采样值 JNC AA0；判断 ei 的正负，如果为正，跳至 AA0 CPL A；ei 为负，下两条指令求补 ADD A,#01H AA0:MOV R0,57H SUBB A,57H；|ei|- JNC AA1；|ei|跳至 AA1 SJMP AA2；|ei|跳至 AA2 AA1:LCALL PD；调用 PD 算法 AA2:LCALL PID；调用 PID 算法 MOV A,7CH；将Ui 通过 DAC0832 输出 MOV DPTR,#7FF2H MOVX DPTR,A INC DPTR MOVX DPTR,A LCALL DELAY；调用延时子程序，等待下一次采样计算 SJMP LOOP0；进入下一次控制计算 DELAY PROC NEAR DL0:MOV R6,#FFH DL1:MOV R7,#FFH DL2:MOV R5,#FFH DLS:DJNZ R5,DLS 14 DJNZ R7,DL2 DJNZ R6 DL1 RET DELAY ENDP PID PROC NEAR PID:MOV A,5CH；计算 ei，先取温度给定值 CLR C SUBB A,50H；温度给定值-温度检测值 JNC PID1；判断 ei正负，如果为正，跳至 PID1 CPL A；ei为负，下两条指令求补 ADD A,#01H SETB 30H；ei为负，符号位置 1 SJMP PID2 PID1:CLR 30H；ei为正，符号位置 0 PID2:MOV 6BH,A；ei 值存放在 6BH 单位元中 MOV R1,6BH；计算 ei-ei-1，先将 ei值，送 R1 MOV C,30H；将 ei的符号位值送 20H 位 MOV 20H,C MOV R2,6CH；将 ei-1值送 R2 MOV C,31H；将 ei-1的符号位值送 21H 位 MOV 21H,C LCALL DJF；调用单字节带符号的减法子程序 MOV 6EH,R3；将差值 ei-ei-1送 6EH 单元 MOV C,22H；将差值 ei-ei-1的符号位送 33H 位 MOV 33H,C MOV R1,6CH；计算 ei-1-ei-2，先将 ei-1值送 R1 MOV C,31H；将 ei-1符号位送 20H 位 MOV 20H,C MOV R2,6DH；将 ei-2的值送 R2 MOV C,32H；将 ei-2的符号位值送 21H 位 MOV 21H,C LCALL DJF；调用单字节带符号的减法子程序 MOV 6FH,R3；将差值 ei-1-ei-2送 6FH 单元 MOV C,22H；将差值 ei-1-ei-2的符号位送 34H 位 MOV 34H,C MOV R1,6EH；计算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2） ，将 ei-ei-1值送 R1 MOV C,33H；将 ei-ei-1符号位送 20H 位 MOV 20H,C MOV R2,6FH；将 ei-1-ei-2值送 R2 15 MOV C,34H；将 ei-1-ei-2符号位送 21H 位 MOV 21H,C LCALL DJF；调用单字节带符号的减法子程序 MOV 70H,R3；将差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）送 70H 单元 MOV C,22H；将差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符号位值送 35H 位 MOV 35H,C MOV A,68H；计算 Kp*（ei-ei-1） ，将 Kp 值送 A MOV B,6EH；将 ei-ei-1值送 B MUL AB；两数相乘 MOV 71H,B；Kp*（ei-ei-1）值存 71H，72H 单元 MOV 72H.A MOV A,69H；计算 KI*ei，将 KI 值送 A MOV B,6BH；将 ei值送 B MUL AB；两数相乘 MOV 73H,B；KI*ei值存 73H，74H 单元 MOV 74H,A MOV A,6AH；计算 KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），将 KD 送 A MOV B,70H；将（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）值送 B MUL AB；两数相乘 MOV 75H,B；KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）值存 75H，76H 单元 MOV 76H,A MOV R1,71H；计算 Kp*（ei-ei-1）+KI*ei，将 Kp*（ei-ei-1）值 送 R1，R2 MOV R2,72H MOV C,33H；将 Kp*（ei-ei-1）的符号位值送 23H 位 MOV 23H,C MOV R3,73H；将 KI*ei值送 R3，R4 MOV R4,74H MOV C,30H；将 KI*ei值的符号位懂 24H 位 MOV 24H,C LCALL SJF；调用双字节带符号加法子程序 MOV 77H,R5；将 Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送 77H，78H MOV 78H,R6 MOV C,25H；将 Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值的符号位送 36H 位 MOV 36H,C MOV R1,77H；计算Ui，将将 Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送 R1，R2 MOV R2,78H MOV C,36H；将 Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值的符号位送 23H 位 MOV 23H,C 16 MOV R3,75H；将 KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的值送 R3，R4 MOV R4,76H MOV C,35H；将 KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符号位送 23H 位 MOV 24H,C LCALL SJF；调用双字节带符号加法子程序 MOV 79H,R5；将Ui值送 79H，7AH MOV 7AH,R6 MOV C,25H；将Ui值的符号位送 37H MOV 37H,C MOV R1,7DH；计算 Ui，将 Ui-1值送 R1，R2 MOV R2,7EH CLR 23H；Ui-1值的符号位值恒为 0 MOV R3,79H；将Ui值送 R3，R4 MOV R4,7AH MOV C,37H；将Ui值的符号位送 24H MOV 24H,C LCALL SJF；调用双字节带符号加法子程序 JNB 25H,PID3；判断计算结果是否为负 MOV 7BH,#00H；如果是负数，则输出电压为 0 MOV 7CH,#00H SJMP PID4 PID3:MOV 7BH,R5；否则，将计算得到的 Ui值置 7BH，7CH MOV 7CH,R6 PID4:MOV 6DH,6CH；数据迭代，ei-1值送 ei-2存储单元 MOV 6CH,6BH；ei值送 ei-1存储单元 MOV 7DH,7BH；Ui值送 Ui-1存储单元 MOV 7EH,7CH RET PID ENDP PD PROC NEAR PD:MOV A,5CH；计算 ei，先取温度给定值 CLR C SUBB A,50H；温度给定值-温度检测值 JNC PD1；判断 ei正负，如果为正，跳至 PID1 CPL A；ei为负，下两条指令求补 ADD A,#01H SETB 30H；ei为负，符号位置 1 SJMP PD2 PD1:CLR 30H；ei为正，符号位置 0 17 PD2:MOV 6BH,A；ei 值存放在 6BH 单位元中 MOV R1,6BH；计算 ei-ei-1，先将 ei值，送 R1 MOV C,30H；将 ei的符号位值送 20H 位 MOV 20H,C； MOV R2,6CH；将 ei-1值送 R2 MOV C,31H；将 ei-1的符号位值送 21H 位 MOV 21H,C LCALL DJF；调用单字节带符号的减法子程序 MOV 6EH,R3；将差值 ei-ei-1送 6EH 单元 MOV C,22H；将差值 ei-ei-1的符号位送 33H 位 MOV 33H,C MOV R1,6CH；计算 ei-1-ei-2，先将 ei-1值送 R1 MOV C,31H；将 ei-1符号位送 20H 位 MOV 20H,C MOV R2,6DH；将 ei-2的值送 R2 MOV C,32H；将 ei-2的符号位值送 21H 位 MOV 21H,C LCALL DJF；调用单字节带符号的减法子程序 MOV 6FH,R3；将差值 ei-1-ei-2送 6FH 单元 MOV C,22H；将差值 ei-1-ei-2的符号位送 34H 位 MOV 34H,C MOV R1,6EH；计算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2） ，将 ei-ei-1值送 R1 MOV C,33H；将 ei-ei-1符号位送 20H 位 MOV 20H,C MOV R