计算机控制课程设计-温度控制系统设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 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05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T130秒，滞后时间常数为10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及的值；3计算机仿真被控对象，编写仿真程序；4通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理，电路图，采用器件的功能说明；软件思想，流程，源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料，程序清单；总结。时间安排：6月22日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计6月23日6月24日完成硬件设计6月25日6月26日编写调试程序6月29日6月30日撰写课程设计说明书 7月1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 摘要温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类行业里，广泛使用各种加热炉、热护理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油和电等。随着科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统也千变万化，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。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计介绍了以AD590集成温度传感器为采集器、AT89C51为控制器、ADC0809为A/D转换器对温度进行智能控制的温度控制系统。其主要过程如下：利用传感器对将非电量信号转化成电信号，转换后的电信号再入A/D转换成数字量，传递给单片机进行数据处理，并向外围设备发出控制信号。论文首先介绍了单片机控制系统的整体方案设计及原理，然后具体介绍了控制系统的温度传感器部分、A/D转换部分、控制器89C51部分以及数码管显示和键盘控制部分，接着相信介绍了温度控制系统各个单元电路的设计，最后阐述了温度控制系统软件设计的主程序和各个子程序。关键字：单片机89C51 温度传感器 A/D转换器 温度控制 目录1 设计任务及分析11.1设计任务和要求11.2系统的分析12.电路设计22.1 设计思路22.2 设计原理22.3 系统方案论证32.4 原理框图33积分分离PID控制43.1PID控制的作用43.2积分分离判断43.3PID控制算法64.硬件设计74.1ADC0809芯片功能74.2DAC0832芯片功能84.3AT89C51单片机104.4系统滤波原理125. 基于MATLAB仿真被控对象125.1在不同参数下，MATLAB仿真波形图135.2Td变化对超调的影响146.心得体会15参考文献16 温度控制系统设计1 设计任务及分析1.1设计任务和要求 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05伏时对应电炉温度0300，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T140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及的值；（3）计算机仿真被控对象，编写仿真程序；（4）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。 （5）撰写设计说明书1.2系统的分析该系统的被控对象为电炉，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05伏时对应电炉温度0500，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为积分加惯性系统，这里惯性时间常数取T140秒。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。2.电路设计2.1 设计思路该控制系统使用单片机为处理器,连接温度传感器,温度控制电路,并附加LED显示部分及键盘部分，可以实时显示温度，实现对温度控制还可以键盘对PID参数进行设置。该系统使用热电阻测出电阻炉温度并转换成电压信号，此电压信号经过温度传感器检测电路转换成数字信号送人单片机，而单片机经过数据处理后，控制显示部分显示温度。此外，将温度与设定值比较，根据设定计算出控制控制量，通过控制电阻丝两端交流电压的通断时间比例来实现电阻丝发热量的控制。 2.2 设计原理 该控制系统使用单片机作为微处理器，连接温度传感器、A/D转换、温度控制电路，并且附加LED显示部分及键盘部分，它可以实时的显示温度，实现对温度的自动控制，还可以通过键盘对PID参数进行设置。该控制系统使用热电阻测出电阻炉实际温度并转换成电压信号。此电压信号经过温度检测电路A/D转换电路转换成与炉温相对应的数字信号送入单片机，而单片机经过数据处理后，控制显示部分显示温度。此外，将温度与设定值比较，根据设定计算出控制量，通过控制电阻丝两端交流电压的通断时间比例来实现电阻丝发热量的控制。该系统的主要控制算法为经典控制理论中所介绍的PID控制算法，积分的作用是消除残差，比例的作用是使温度快速跟踪设定值而变化，而微分的作用是抑制扰动，提前作用，提高稳定性。另外，温度传感器就是反馈通路不可或缺的部分。它可以较准确地测得加热杯内当前水温，单片机接受温度传感器测得的数据，经过内部程序的处理，将该数据转换为实际温度。程序中有一设定加热温度值的变量（设定值），此变量通过按键赋值，这样增加了程序的灵活性和方便性，可以直接修改加热温度，而不用修改程序本身。将设定温度值与当前温度值相减，产生偏差值，该值经过PID算法，得到一个控制参数。当然PID的形式是多种多样的，可以是经典的PID，也可以是模糊PID，积分分离PID。2.3 系统方案论证方案一：系统采用8031作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理（放大）送到A/D转换器，转换后的数字信号再送到8031内部进行判断或计算。从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。但对于8031来说，其内部只有128个字节的RAM，没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对8031进行存储器扩展和I/O口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的I/O口较多，使系统的设计复杂化。方案二：系统是以51单片机为控制核心，辅以温度采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电热炉炉温进行控制的微机控制系统。其控制原理图见图一，其基本控制原理为：用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到A/D转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID控制运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热。综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较合适。2.4 原理框图 系统的结构图如图2-1所示。给定信号控制电路驱动电路晶闸管电路温度输出温度检测图2-1系统结构图3积分分离PID控制3.1PID控制的作用比例调节作用（P）：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的有比较大的超调，并产生振荡，稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用（I）：是使系统消除稳态误差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。 微分调节作用（D）：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD 或PID 控制器。3.2积分分离判断 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 当时，采用PD控制； 当时，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。积分分离PID控制算法图如图3-1所示。 初始化 数据采集开始 N Y PID控制 PD控制 控制器输出 更新参数 返回 图3-1 积分分离PID控制算法图3.3PID控制算法在工程实际中，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70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。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程控制时，都能得到满意的效果。不过用计算机实现PID控制，不是简单得把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。PID算法推倒如下：（3-1） 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。 对应的模拟PID调节器的传递函数 （3-2） 其中为比例增益，与比例带成倒数关系即=1/，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u（t）为控制量，e（t）为偏差。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，（3-3）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。T为采样周期K为采样序号由以上可得：（3-4） 式中，T为采样时间，项为积分项的开关系数（3-5）4.硬件设计用热电偶来检测炉的温度，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都转换成数质量送入单片机进行比较，其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差，以单片机为核心的数字PID控制器对偏差按照给定的方法运算，运算结果送DAC0832转换成模拟电压，经功率放大器放大后送入晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到炉温调节的作用。 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。4.1ADC0809芯片功能 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的期间或装置，它是一种模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用，常用的A/D转换器有ADC0809. 它是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为1/2LSB，采用28脚双立直插式封装，ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成。 1）8通道模拟开关及通道选择逻辑该部分的功能是实现8选1操作，通道选择信号C、B、A与所选通道的关系如下。CBA输出000Vin0001Vin1.111Vin7图4-1模拟开关及通道选择逻辑 地址锁存允许信号（ALE、正脉冲）用于通道选择信号C、B、A的锁存。加至C、B、A上的通道选择信号在ALE的作用下送入通道选择逻辑后，通道i上的模拟输入被送至A/D转换器转换。 2）8位A/D转换器图4-2 ADC0809引脚图 为模拟信号的8个输入通道。、为基准电压的正极和负极。、和为模拟信号输入通道的地址选择线。 为地址锁存信号，由低电平到高电平正跳变时讲地址选择线的状态锁存，一选通相应的输入通道。 为启动信号，正脉冲的上升沿使内部寄存器清零，从下降沿开始进行A/D转换。 为转换结束信号，在信号之后变低，转换结束为高电平，用来申请中断。 为输出允许信号，有效时将输出寄存器中的数据放到数据总线上。4.2DAC0832芯片功能 D/A转换器的功能是把二进制数字量电信号转换为与其数值成正比的模拟量电信号。常用D/A转换器为DAC0832芯片。DAC0832工作在单缓冲寄存器方式，即当信号来时，数据线送来的数据直通进行D/A转换，当变高时，则此数据便被锁存在寄存器中，因此D/A转换的输出也保持不变。DAC0832讲输入的数字量转换成差动的电流输出（和），为了将其编程电压输出，必须经过运算放大器，使其输出（为-5V）或（为-10V），若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。 图4-3 DAC0832引脚图 当ILE为高电平，片选信号 和写信号 为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。 对第二级锁存来说，传送控制信号和写信号同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。 其余各引脚的功能定义如下： DI7DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。 IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。 IOUT2：模拟电流输出端2,IOUT2与IOUT1的和为一个常数。RFB：反馈电阻引出端，DAC0832内部已有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端,相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。 VCC：芯片供电电压，范围为。 GND ：模拟量地/数字量地，即模拟/数字电路接地端。4.3AT89C51单片机 AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。 8051单片机的内部结构十分复杂，但封装之后，只有引脚是面向用户的，所以使用者需要熟悉各引脚的用途。常用的8051芯片是用双列直插40脚封装。图4-4 AT89C51引脚图 ：供电电压。 ：接地。 ：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 ：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 ：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 ：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 ：来自反向振荡器的输出。 4.4系统滤波原理 一般微机应用系统的模拟输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自信号源本身、传感器、外界干扰等。噪音有两大类：一类为周期性的，另一类为不规则的。前者可采用双积分A/D转换器，有效地消除其影响。后者为随机信号，可用数字滤波方法予以消除。算术平均值法式要按输入的N个采样为周期（i=1N），寻找这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使（4-1）由一元函数求值原理可得基于MATLAB仿真被控对象5. 基于MATLAB仿真被控对象采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算法。仿真所用的程序和仿真图如下所示。选择合适的Kp，Ki，Kd使系统的仿真效果趋于理想状态。1.MATLAB编写程序如下：clear all;close all;ts=2; %采样时间10ssys=tf(1,40,1,0);dsys=c2d(sys,ts,zoh); %将sys离散化num,den=tfdata(dsys,v); %求sys多项式模型参数2.Simulink仿真图如下：图5.1 Simulink仿真图5.1在不同参数下，MATLAB仿真波形图在不同参数下，MATLAB仿真波形如图5。2所示。（1） kp=0.2;Ti=0.001;Td=1;（2）kp=0.2;Ti=0.001;Td=5;（3）kp=0.2;Ti=0.001;Td=15;图5.2不同参数下的Matlab仿真波形图5.2Td变化对超调的影响微分环节能反映偏差信号的变化趋势，能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，有助于系统减小超调，克服振荡，使系统快速趋于稳定，提高系统的响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态特性。其缺点是抗干扰能力差，微分系数Td的值对响应过程影响大，若增大 ，有利于