电阻炉温度控制系毕业设计.doc

III 电阻炉温度控制系毕业设计电阻炉温度控制系毕业设计 目目 录录 第第 1 1 章章 概概 述述1 1 1 电阻加热炉介绍 1 1 2 电阻加热炉温度控制系统的目的和意义 1 1 3 电阻加热炉的特点与展望 1 1 4 控制算法 2 1 4 1 模糊控制 2 1 4 2 神经网络 3 1 5 PID 控制算法 3 1 6 电阻加热炉温度控制系统设计的指导思想 5 1 7 系统主要技术参数 5 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 6 2 1 单片机的选择 7 2 2 温度传感器的选择 7 2 2 1 热电阻 8 2 2 2 集成温度传感器 8 2 2 3 热电偶 8 2 3 检测放大电路的选择 10 2 3 1 采用差分放大电路 10 2 3 2 电压比较器方案 10 2 3 3 使用普通集成运算放大电路 10 2 4 模数转换电路的选择 11 2 4 1 采用 V F 转换器 11 2 4 2 采用双积分型 A D 转换器 MC14433 11 2 4 3 采用逐次逼近型 A D 转换器 AD574A 12 2 5 键盘的设计 12 2 5 1 独立式按键接口 12 2 5 2 矩阵式键盘接口 13 2 6 显示器的选择 15 2 7 接口芯片 8255A 17 IV 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 20 3 1 主控制器 8051 单片机 20 3 1 1 8051 单片机的主要功能如下 20 3 1 2 8051 单片机的优点 20 3 1 3 8051 单片机的时钟和复位电路 21 3 1 4 8051 单片机的引脚图 22 3 2 前向通道的设计 23 3 2 1 温度检测电路 23 3 2 2 模数转换电路 25 3 3 后向通道的设计 28 3 4 接口电路的设计 30 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 32 4 1 PID 计算程序 32 4 2 程序设计 34 4 2 1 主程序设计 34 4 2 2 中断程序的设计 35 4 2 3 键盘输入子程序流程图 38 4 2 4 显示子程序流程图 39 4 3 数字滤波子程序 40 4 3 1 数字滤波的优点 40 4 3 2 数字滤波的常用方法 40 4 3 3 几种滤波方法的比较 44 总总 结结 45 致致 谢谢 46 参考文献参考文献47 附录附录 1 1 电阻炉温度控制硬件电路电阻炉温度控制硬件电路49 附录附录 2 2 程序清单程序清单50 1 第第 1 1 章章 概概 述述 1 11 1 电阻加热炉介绍电阻加热炉介绍 电阻加热炉和一般燃烧炉相比具有占地小 无污染 操作管理方便 易于控 制质量和热效率高等优点 电阻加热炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备 这样在加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术 促使人们更加积极地 研究控制热加工工艺过程的方法 电阻加热炉的温度控制具有升温单向性 大惯 性 大滞后 时变性等特点 其升温 保温是依靠电阻丝加热 降温则是依靠环 境自然冷却 随着电力工业的稳定发展和机械 电子和食品等工业的发展 电阻 炉的比重和功能亦将不断增加 电阻加热炉是典型的工业过程控制对象 在我国 有着广泛的应用 1 21 2 电阻加热炉温度控制系统的目的和意义电阻加热炉温度控制系统的目的和意义 在工业领域 如冶金 机械 建材及化工等部门 都大量使用各种炉窑 如 用于热处理的加热炉 用于熔化金属的塔锅电阻炉等 炉窑运行时 温度是需要 测控的最基本参数 不同炉窑的加热方法与所用燃料有所差异 但被控对象都可 归于有纯滞后的一阶惯性环节 温度以往多采用常规仪表加接触器式的断续控制 存在不少固有的缺点 为了提高产品质量与数量 节约能源 改善劳动环境 已 逐步采用微机控制技术 本文将应用目前性能价格比较高的 8051 单片机 对电阻 炉进行温度控制 电阻炉是一类量大而广的工业设备 利用单片机实现炉内温度 的实时控制 数字显示 对于提高劳动生产率和产品质量 节约能源等都有着积 极意义 1 31 3 电阻加热炉的特点与展望电阻加热炉的特点与展望 2 在电力稳定的供应条件下 电热炉和燃料炉相比有许多优点 特别是不需要 燃料贮存 输送及燃烧后灰渣和庞大的烟气排放 净化等装置 从而有占地小 装置 简单 操作管理方便和无 CO2 SO2等污染的优点 同时对加热质量较易控制和保证 可按需要进行整体 局部或表面加热 从而质量高和热效率高 由于以上特点 电热炉适合于高级材料和零部件的制造 节能效果亦好 从 而在汽车 电机 家电和电子等机电加工组装工业得到广泛应用 今后随着电力 工业的稳定发展和加工业和加工高度化与比重的扩大 电阻炉 感应炉和电阻丝 加热等将不断发展 在钢铁工业 金属制品和窑业等高能耗部门 随着深度加工 高质量产品和陶瓷材料等的开发 加上对节能和对 CO2等的控制 电阻加热炉比 重亦将扩大 1 41 4 控制算法控制算法 1 1 4 4 1 1 模糊控制模糊控制 模糊控制利用隶属度函数和模糊合成法则等思想巧妙地综合了人们的直觉经 验 从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合 如具有纯滞后 大惯性 参数漂移大的非线性不确定分布参数系统中能够实现较满意的控制 所 以它至少应是一种有效的补充控制手段 反过来也就是说 模糊控制也并非是一 味放之任何系统均有效的 万应药 假如某系统可由一组线性微分方程很好地加 以描述 那么也就没必要使用模糊控制了 可见 模糊控制应用于工业过程控制 领域相对来讲更为合适些 另外 量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的 品质 这些因素致使简单模糊控制器存在一些缺陷 1 精度不太高 这主要是由于模糊控制表的档级有限而造成 通 过增加量化等级数目虽可提高精度 但查询表将过于庞大 往往受物理条件限制 2 自适应能力有限 这是因为模糊控制器对某些参数变化不敏感 只能说明 具有鲁棒性 而不能讲具有自适应能力 3 3 很易产生振荡现象 如果查询表构造得不合理或量化因子和比例因子选择 不当 都会导致振荡现象 由于以上缺点 不采用模糊控制算法 1 4 21 4 2 神经网络神经网络 神经网络从模仿人脑内部结构出发 试图在模拟推理 自动学习等方面更接 近人脑的自组织和并行处理能力 它在模式识别 聚类分析和专家系统等方面已 显出很好的前景 模糊理论突出对人的外在表达方式的描述 以模糊逻辑为基础 抓住人脑思维的模糊性特点 用以模仿人的模糊综合判断推理来处理一般数学控 制难以解决的模糊综合控制 两者之间存在必然 密切的联系 神经网络的优点 之一是不依赖于控制系统的数学模型 它是通过学习 将输入与输出以权值的方 式编码 将它们关联起来 但以网络的表达权值难以理解为代价换取的 从权值 很难知道网络编码的内容是什么 另一个问题是它的训练样本如何从专家那里取 来 如何表达成神经网络能接收的知识 怎么知道它们是否可靠和具有代表性 还不清楚 有用的信息是如何存储在网络中的各神经元之中的 其机理尚不清楚 因此关于网络结构的选择缺乏充分的理论分析 究竟选择几层 每层有多少个神 经元为可行 对此目前只能凭经验 1 51 5 PIDPID 控制算法控制算法 本文对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究 设计了硬件电路和 软件程序 硬件电路选用 8051 单片机 软件程序采用中断查询方式 提出了一种 PID 控制的方法 即只调节 Kp 一个参数 来实现 PID 控制 与常规 PID 三个参数 调整相比 省时 高效 为实现简易的自整定控制带来方便 电阻炉炉温为一阶 惯性纯滞后系统 调节 Kp 的值 可得到较为理想的阶跃响应曲线 PID 调节是连续系统中技术最成熟 且应用最广泛的一种控制方法 它结构 灵活 不仅可以采用常规的 PID 调节 而且可以根据系统的要求 采用各种 PID 的变种 如 PI PD 控制 不完全微分控制 积分分离式 PID 控制 带死区的 4 PID 控制 变速积分 PID 控制 比例 PID 控制等等 PID 控制器把设定值与实际输 出值相减 得到控制偏差 偏差值经过比例 积分 微分运算后通过线性组合构成 控制量 然后对对象进行控制 虽然计算机控制是离散的 但对于时间常数比较大 的系统来说 其近似于连续变化 因此 用数字 PID 完全可以代替模拟调节器 而且可以得到比 较满意的效果 所以 用数字方式模拟 PID 调节器仍是目前应用比较广的方法之 一 在模拟控制系统中 其过程控制是将被测参数 如温度 压力 流量 成分 液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器 在调节器中与给定值进行 比较 再把比较出的差值经 PID 运算后送到执行机构 改变进给量 以达到自动 调节的目的 在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器 按偏差的 比例 积分和微分进行控制和调节 是连续系统中应用最广泛的一种调节器 在 工业过程控制中 由于控制对象的精确数学模型难以建立 系统的参数又经常发 生变化 运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识 建立系统的 数学模型十分困难 应用直接数字控制方法比较困难 甚至根本不可能 所以人 们经常采用 PID 调节器 并根据经验进行在线整定 即用实验和分析的方法来确 定数字 PID 调节器的参数 但是 常规 PID 调节三个参数的整定一般需要经验丰 富的工程技术人员来完成 步骤繁琐复杂 既耗时又耗力 而且当对象特性变化 时 又要重新整定 并且在现代工业控制过程中 许多被控对象机理复杂 具有 多输入多输出的强耦合性 参数时变性 严重的非线性特性 滞后性等特点 在 这种情况下 采用常规 PID 调节器 三个参数的整定比较困难 为此本文提出了 采用归一参数整定法 即只整定一个参数 这样减少了许多工作量 提高了工作 效率 为实现简易的自整定控制带来方便 随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加 PID 调节在工业 过程控制 航空航天领域内将得到广泛的应用 因此研究 PID 控制具有较高的工 程实践意义 具有广泛的应用前景 13 热电阻炉的发热体为电阻丝 常规方式大多采用模拟仪表测量温度 并通过 控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率 此方法存在某些固有的缺点 如温度与仪表值不符 温度延迟等问题 而采用微机进行炉温控制 可大大提高 5 控制质量和自动化水平 具有良好的经济效益 由于模拟仪表本身的测量精度差 加上交流接触器的寿命短 通断比例低 故温度控制精度低 且无法实现按程序 设定的升温曲线升温和故障自诊断功能 本文提出的炉温控制系统采用高精度放 大器及 A D 转换器以获得较高的测温精度 并采用温度传感器对热电偶进行冷端 补偿 利用单片机 8051 实现控制算法 按设定值 所测温度值 温度变化速率 自动进行 P 参 数自整定和运算 按程序设定温度曲线升温 具有键盘输入及显示功能 使用双 向 导通可控硅实现加热功率的控制 显著提高了测量精度 采用单片微型计算机 双向可控硅调功 动态给定和变参数的 PID 控制系统 与以前常用的模拟控制系统比较 不但控制精确 本系统恒温期间温度波动可不大 于 1 简单方便 大大减轻运行工人的劳动强度 而且能降低电耗 本系统电 耗降低 10 以上 有较好的经济效益和社会效益 使电阻炉的温度控制提高到一 个新的水平 1 61 6 电阻加热炉温度控制系统设计的指导思想电阻加热炉温度控制系统设计的指导思想 电阻加热炉温度控制系统基本主要由温度检测系统 信号处理系统 输入输 出系统 输出控制系统四部分组成 温度检测主要由温度传感器构成 根据精度 及测量范围的要求选择也不同 可以是热电偶式的 也可以是热电阻式的 还可 以是热敏电阻或集成温度传感器器件的等等 在信号处理系统原理上无外乎是信 号的放大 数模转换 微机处理一系列环节 根据不同的要求其内部结构也不同 但基本都是遵循这条原则 输入输出可根据不同的需要和不同的场合来设计 在 精度要求高 设置要求快的环境下可使用多键键盘和 LCD 液晶显示 在精度和速 度要求不高的情况下则可使用简易键盘和 LED 数码管显示 输出方面的指导思想 是在精度要求高的情况下采用连续调节电阻两端的电压进行功率调节 而精度要 求不是很高的情况下则是通过控制电阻两端电压的通断来进行对温度的控制 通 常都是选用双向可控硅来实现功率调节 这样能更好的控制温度 提高精度 6 1 71 7 系统主要技术参数系统主要技术参数 1 测温范围 0 1000 2 控制精度 1 3 保温精度 1 5 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 系统的组成及工作原理 温度是工业对象中主要的被控参数之一 如冶金 机械 食品 化工各类专 业中广泛使用各种加热炉 热处理炉 反应炉等 对工件的处理温度要求严格控 制 图 2 1 为电阻炉炉温控制系统原理图 控制过程是这样的 单片机定时对炉温 进行检测 经 A D 转换得到相应的数字量 再送到微机进行判断和运算 得到应 有的控制量 去控制加热功率 从而实现对温度的控制 具体包括 1 炉温变化规律控制 即炉温按预定的温度一时间关系变化 这主要在控制 程序中考虑 2 温度控制范围 如 400 1000 这就涉及到测温元件 电炉功率等的 选择 3 控制精度 超调量等指标 这涉及到 A D 转换精度 控制规律的选择等 本文用 8051 单片机实现控制 为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式 及其他参数组态进行修改 要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作 键输入 检查 修改 并可在断电情况下 使参数保存半年 为了便于与上级计 算机构成两级控制系统 在单片机控制系统中还加入了通信功能 采用 RS 232 接 7 口 通信速率为 1200b s 2400b s 4800b s 和 9600b s 等四种波特率 由用户 通过键盘自行按需要选择 系统的测量值和所有设定参数均由 LED 数码管直接显 示 读数清晰 直观 控制器的结构如图 2 1 所示 2 1 控制原理图 2 12 1 单片机的选择单片机的选择 在大学期间我们主要学习了 8031 和 8051 两种单片机 他们都是 MCS 51 系列 单片机的代表产品 因为 8031 单片机片内无程序存储器 在使用时需要外部加扩 展 而 8051 片内有 4KB 的程序存储器 无须外部扩展 电路设计也更简单 所以 设计选择了 8051 单片机 系统采用 MCS 51 系列的单片机 8051 MCS 51 单片机是美国 INTE 公司于 1980 年推出的产品 与 MCS 48 单片机相比 它的结构更先进 功能更强 在原 来的基础上增加了更多的电路单元和指令 指令数达 111 条 MCS 51 单片机可以 算是相当成功的产品 一直到现在 MCS 51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主 流产品 各高校及专业学校的培训教材仍与 MCS 51 单片机作为代表进行理论基础 学习 8051 是 MCS 51 系列单片机中的代表产品 它内部集成了功能强大的中央 PID调节被控过程执行机构 温度检测与变送 e W Y 温度 8 处理器 包含了硬件乘除法器 21 个专用控制寄存器 4kB 的程序存储器 128 字节的数据存储器 4 组 8 位的并行口 两个 16 位的可编程定时 计数器 一个 全双工的串行口以及布尔处理器 3 2 22 2 温度传感器的选择温度传感器的选择 温度是表征物体冷热程度的物理量 它与人们生活关系最为密切 是工业控 制中的四大物理量 温度 压力 流量和物位 之一 也是人们研究最早 检测 方法 最多的物理量之一 各种不同的物体有着不同的温度范围 从总体来说 温度分 布范围极广 加上被控对象的种类繁多 虽然温度的传感器种类很多 但至今没 有一种温度传感器能覆盖整个温度范围 而又能满足一定的测量精度 只能根据 不同的温度范围和不同的被测对象 适当选择不同的传感器 2 2 12 2 1 热电阻热电阻 热电阻材料一般有两类 贵金属和非金属 热电阻利用物质在温度变化时本 身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的 被测温度的变化是直接通过热电阻 阻值的变化来测量的 热电阻的受热部分 感温元件 是用细金属丝均匀的缠绕 在绝缘材料制成的骨架上 当被测介质中有温度梯度存在时 所测得的温度是感 温元件所在范围内介质层中的平均温度 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂热电阻的测量精确度最高 因为热电阻是中低温区常用的一种测温元件 其测温范围一般在 200 500 在本设计中远远低于最高温度的要求 所 以不采用它测温 2 2 22 2 2 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器是把温度传感器与放大电路等后续 利用集成化技术制作在 同一芯片的功能器件 这种传感器输出信号大 与温度有较好的线性关系 小型 9 化 成本低 使用方便 测量精度高等优点 由于感温元件与全部其他电器都集 中在一个小芯片 所以传感器的功 耗及自然效应 以及在工作温度范围内电路元件的热稳定性 是影响这种传感器 性能的主要因素 集成电路温度传感器的工作范围是 50 150 低于设计 要求 不予采用 2 2 32 2 3 热电偶热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一 其优点是 测量精度高 因热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质的影响 测量范围广 常用的热电偶从 50 1600 均可持续测量 某些特殊热电偶 最低可测到 269 如金铁镍铬 最高可达 2800 如钨 铼 构造简单 使用方便 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成 而且不受大小 和开头的限制 外有保护套管 用起来非常方便 1 热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来 构成一个闭合回路 当导体 A 和 B 的两个执着点之间存在温差时 两者之间便产生电动势 因而在回路中形成 一定大小的电流 这种现象称为热电效应 热电偶就是利用这一效应来工作的 2 热电偶的种类及结构形成 1 热电偶的种类 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类 所谓标准热电偶是指国 家标准规定了其热电势与温度的关系 允许误差 并有统一的标准分度表的热电 偶 它有与其配套的显示仪表可供选用 非标准化热电偶在使用范围或数量级上 均不及标准化热电偶 一般也没有统一的分度表 主要用于某些特殊场合的测量 热电偶标准我国从 1988 年 1 月 1 日起制定 热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准 生产 并指定 B S K E J 等几种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶 2 热点偶的冷端补偿 10 由于热电偶的材料一般都比较贵重 特别是采用贵金属时 而测温点到仪 表的距离都很远 为了节省热电偶材料 降低成本 通常采用补偿导线把热电偶 的冷端 自由端 延伸到温度比较稳定的控制室内 连接到仪表端子上 必须指 出 热电偶补偿导线的作用只是延伸热电极 使热电偶的冷端移动到控制室的仪 表端子上 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响 不起补偿作用 因此 还需采用其他修正方法来补偿冷端温度 t0 0 时对测温的影响 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配 极性不能接错 补偿导线与热 电偶连接端的温度不能超过 100 本设计要求的测温范围在 0 1000 温度 较高 因此选择热电偶中的 K 型热电偶来测温 可以满足设计要求 所以温度传 感器选择热电偶 10 2 32 3 检测放大电路的选择检测放大电路的选择 放大是最基本的模拟信号处理功能 它是通过放大电路实现的 大多数模拟 电子系统都应用了不同类型的放大电路 因为检测外部物理信号的传感器所输出 的电信号通常是很微弱的 对这些能量过于微弱的信号 既无法直接显示 一般 也很难作进一步处理 通常必须把它们放大到一定的数量级 才能被数字仪表或 传统的指针式仪表显示出来 2 3 12 3 1 采用差分放大电路采用差分放大电路 差分放大电路是由典型的工作点稳定电路演变而来的 它是构成多级直接耦 合放大电路的基本单元电路 但是差分放大电路应用的元件小而多 会把电路复 杂化 因此应选用集成度更高的 精度也更高的元件 所以不予采用 2 3 22 3 2 电压比较器方案电压比较器方案 电压比较器的功能是比较两个电压的大小 例如将一个信号电压和一个参 i U 考电压进行比较 在 和Ui 1 ei ei 1 Ei 1 ei 2 返回 36 4 24 2 程序设计程序设计 4 4 2 2 1 1 主程序设计主程序设计 主程序包括 8051 本身的初始化以及各并行 I O 口的初始化等 为简化起见 本程序只给出有关标志暂存单元和显示缓冲区清零 T0 初始化开 CPU 中断温度显示 和键盘扫描等程序等 相应程序框图如图 4 2 所示 1 图 4 2 主程序流程图 4 4 2 2 2 2 中断程序的设计中断程序的设计 T0 中断服务程序框图如图 4 3 所示 图中可见 T0 中断服务程序是温度控制 开始 设定堆栈指针 清标志和暂存单元 清显示缓从器区 T0初始化开 CPU中断 扫描键盘 37 系统的主体程序 用于采样炉温 读入采样数据 数字滤波 PID 计算和在 P1 3 引脚上输出控制脉冲等 在 T0 中断服务程序中 8051 把计算出的 PID 值得补码 送入 TL0 使 P1 3 置为高电平 1 状态和启动 T1 工作 另一方面是进行温度标 度转换 把本次采样的温度值放入显示缓冲区和调用温度显示程序 然后等待 T1 中断 并在该中断服务程序中使 P1 3 复位成低电平 0 状态 以便在 P1 3 引脚 上形成一个正控制脉冲 控制加在可控硅管控制板上过零同步脉冲个数 达到对 炉内温度的调节 保护现场 Ui K Umax 求补 取最小PID值输出 Y N Y N 38 图4 3 T0中断服务程序流程图 39 图 4 4 T1中断服务程序 T1中断程序 停止输出 清标志D5H 返回 40 4 4 2 2 3 3 键盘输入子程序流程图键盘输入子程序流程图 图 4 5 键盘输入程序 调用显示子程序 延迟6m 有键盘闭合 2次调用显示子程序 延迟12m 判断闭合键键号 堆栈 有键盘闭合 闭合键释放否 输入键号 A RET Y N Y N Y N 开始 41 4 2 44 2 4 显示子程序流程图显示子程序流程图 图 4 6 显示子程序 扫描模式置初值07H R3 R3 8255A口 显示数据 8255B口 延迟5m 显示缓冲器指针R0加1 显示缓冲区置初值79H R0 R3 5 1 R3左移一位 RET Y 开始 42 4 34 3 数字滤波子程序数字滤波子程序 4 4 3 3 1 1 数字滤波的优点数字滤波的优点 一般微机应用系统的输入信号中 均含有种种噪音和干扰 它们来自被测信 号源本身 传感器 外界干扰等 为了进行准确测量和控制 必须消除被测信号 中的噪音和干扰 噪音有两大类 一类为周期性的 另一类为不规则随机性的 前 者的典型代表为 50Hz 的工频干扰 对于这类信号 可以采用积分时间等于 20ms 整数倍的双积分 A D 转换器 能有效的消除其影响 后者为随机信号 而不是周 期信号对于随机干扰 可以用数字滤波方法加以消弱或滤除 所谓数字滤波 就 是通过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重 故实际上它是一种程序 滤波 数字滤波克服了模拟滤波器的不足 它与模拟滤波器相比 有以下几个优 点 1 数字滤波是用程序实现的 不需要增加硬设备 所以可靠性高 稳定性 好 2 数字滤波可以对频率很低 如 0 01 Hz 的信号实现滤波 克服了模拟滤 波器的缺陷 3 模拟滤波器通常每个通道都有 而数字滤波器则可以多个通道共用 从 而降低成本 4 数字滤波器可以根据信号的不同 采用不同的滤波方法或滤波参数 具 有灵活 方便 功能强的特点 由于数字滤波器具有以上优点 所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛 的应用 16 4 4 3 3 2 2 数字滤波的常用方法数字滤波的常用方法 1 算术平均滤波程序 算术平均法是输入一次采样的 N 个数据 Xi 1 为 1 N 并寻找这样一个 y 使 y 与各采样值之间的偏差的平方和为最小 即 43 4 5 由一元函数求极值原理可得 4 5 这时 y 即可满足式 4 1 式 4 2 即是算术平均值法的算式 设第二次测量的测量值包含信号成分 Si和噪音成分 Ci 则进行 N 次测量的信 号成分之和为 4 6 噪音的强度是用均方根来衡量的 当噪音为随机信号时 进行 N 次测量的噪 音强度之和为 4 7 上述两式中 S C 分别表示进行 N 次测量后信号和噪音的平均幅度 这样对 N 次测量进行算术平均后的信噪比为 4 8 式中 S C 是求算术平均值的信噪比 因此 采用算术平均法后 使信噪比提高了 倍 N 算术平均值法适用于一般的具有随机干扰的信号滤波 并特别适合于信号本 身在某一数值范围附近作上下波动的情况 如流量 液平面等信号的测量 由式 4 5 可知 算术平均值法对信号的平滑滤波程序完全取决于 N 当 N 较大时 平 滑度高 但灵敏度低 即外界信号的变化对测量计算结果 y 的影响小 当 N 较小时 1 1 N i i yX N 2 1 N i i CNC NSS N CNC S N 1i N Si min 2 1 N i i XyE 44 平滑度较低但灵敏度高 因此 应按具体情况选取 N 如对流量的测量 可取 N 8 到 16 对压力的测量 可取 N 4 等 算术平均值法程序可直接按式 4 2 编出 只是需注意两点 一是 xi 的输入方 法 对于定时测量 为了减少数据的存储容量 可对测得的 xi 值直接按式 4 2 进行计算 但对某些应用场合 为了加快数据测量的速度 可采用先测量数据 并把它先存放在存储器中 测量完 N 点后 再对测得的 N 个数据进行平均值计算 二是选取适当的 x y 的数据格式 即 x y 是定点数还是浮点数 采用浮点数计 算比较方便 但计算时间较长 采用定点数可加快计算速度 但是必须考虑累加时 是否会产生溢出 如数据为 14 为的二进制定点数 可采用双字节运算 但当 N 4 时就可能产生溢出 2 滑动平均值滤波程序 算术平均滤波法 每计算一次数据 需测量 N 次 对于测量速度较慢或要求 数据计算速率较高的实时系统 该方法是无法使用的 如假设 A D 数据采样速率 为每秒采样 10 次 而要求每秒输入 4 次数据时 则 N 不能大于 2 下面介绍一种 只需进行一次测量 就能得到一个新的算术平均值的方法 滑动平均值法 滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器 队列的队长固定为 N 每进行 一次新的测量 把测得的结果放入队尾 而扔掉原来队首的一个数据 这样在队 列始终有 N 个最新的数据 计算平均值时 只要把队列中的 N 个数据进行算术平 均 就的得到新的算术平均值 这样每进行一次测量 就可得到一个新的算术平 均值 上面介绍的这两种平均值方法 都是采用算术平均的方法 在这种方法中 对于 N 次内的所有采样值 在其结果中的比重是相等的 但是有时为了提高滤波 效果 将各采样值取不同的比例 然后再相加 此种方法即为加权平均法 一个 N 项加权平均式为 式中 C0 C1 Cn 1 均为常数项 应满足下列关系 1 0 1 n i i C 1 0 1 n i ixn CY 45 式中 C0 C1 C2 Cn l为各此采样值的系数 可根据具体情况决定 一般采样 次数愈靠后 取的比例愈大 这样可增加新的采样值在平均值中的比例 其目的 是 增加信号的某一部分 抑制信号的另一部分 为计算方便 可取各加权系数 Ci 均为整数且总和为 256 加权运算之后的累 加和 Yn 除以 256 以后便是有效采样值 各加权系数用一个表格存放在 ROM 中 各 次采用值依次存放在 RAM 中 3 扰平均值滤波 复合滤波 在工业控制等应用场合中 经常会遇到尖脉冲干扰的现象 干扰通常只影响 个别采样点数据 此数据与其他采样点数据相差比较大 如果采用一般的平均值 法 则干扰将 平均 到计算结果上去 故平均值法不易消除由干扰脉冲引起的 采样值的偏差 为此 可采取先对平均值法的 N 个数据进行比较 并按大小顺序 排队后 除掉其中最大值和最小值 然后计算余下的 N 2 个数据的算术平均值 这种方法即可滤去脉冲干扰又可滤除小的随机干扰 在实际应用中 N 可取任何值 但为了加快数据采集和数据处理速度 一般 N 不能太大 通常 N 取为 4 这时即为四取二再取平均值法 它具有计算方便 速 度快 需存储容量小等特点 因而得到了广泛的应用 4 程序判断滤波 当采样信号由于随机干扰 误检测或者转换器不稳定而引起严重失真时 可 采用程序判断滤波 程序判断滤波的方法 是根据生产经验 确定出两次采样输入信号可能出现 的最大偏差 x 若超过此偏差值 则表明本次输入信号是干扰信号 应该去掉 若小于此偏差值 则表明本次采样信号有效 可作为本次采样值 程序判断滤波根据滤波方法不同 可分限幅滤波和限速滤波两种 限幅滤波 所谓限幅滤波就是把两次相邻的采样值进行相减 求出其增量 然后有两次 采样允许的最大差值进行比较 如果小于或等于 x 则取本次采样值 如果大于 x 则仍取上次采样值作为本次采样值 46 为了加快程序的判断速度 将经验限额值取反 后以立即数的形式编入程序 中 然后用加法运算来取代比较运算 如果相邻两次采样值最大变化范围不超过 04H 取反为即为 0FBH 当变化量为 05H 时 与经验限额值的反码 0FBH 相加后 即产生进位 从而为判断指令提供了判断标志位 限速滤波 设顺序采样时刻 t1 t2 t3 所采集的参数分别为 xl x2 x3 则当区 2 xl x 则 x2 输入计算机 x2 x1 x 则 x2 不采用 但仍保留 再继续采 样一次 得 x3 x3 xl x 则 x3 输入计算机 x3 xl x 则 x2 x3 2 输 入计算机 这是一种折中的方法 即照顾了采样的实时性 又照顾了采样的连续性 程 序判断滤波程序 可用于变化比较缓慢的参数如温度 液位等 4 4 3 3 3 3 几种滤波方法的比较几种滤波方法的比较 以上介绍了几种常用的数字滤波程序 随着微机控制技术的发展 数字滤波 方法将越来越完善 每种滤波程序都有其各自的特点 可根据具体的测量参数进 行合理的利用 在具体选用滤波方法时需从以下几个个方面加以考虑 1 滤波效果 一般说来 对于变化比较缓慢的参数如温度 可选用程序判断滤波以及一阶 滞后滤波方法比较好 而对于变化较快的脉冲参数 则可选用算术平均和加权平均 滤波方法 而且加权平均滤波方法比算术平均方法更好 22 2 滤波时间 在考虑滤波效果的前提下 应尽量采用执行时间比较短的程序 如果微机的 时间允许 则可采用效果较好的复合滤波程序 需要说明的是 数字滤波固然是消除微机控制系统干扰的好方法 但一定要 注意 并不是在任何一个系统种都需要进行数字滤波 有时不适当的采用数字滤 波反而适得其反 造成不良影响 如在自动调节系统中 采用数字滤波有时会把 偏差值滤掉 因而使系统失去调节作用 因此 在设计微机控制系统时 要不要 数字滤波 或者到底采用哪一种形式的滤波方法 一定要根据实验后确定 绝对 47 不能照搬硬套 微机控制系统通常直接放在生产现场 会受到很严重的干扰 可以采用滤波 的方法来消除干扰 这里采用中值滤波 就是连续三次取样 取中间值作为本次 取样值 三次取样值分别放在 2CH 2DH 2EH 中 取中间值放在累加器 A 中 同 时也转存在 2AH 单元内 以备进行温度标度转换用 总总 结结 本设计主要是对电阻炉温度自动控制系统的研究 其电阻炉的功能是对温度 进行自动控制 系统由 8051 处理器为核心 采用 PID 控制算法进行程序设计 由 单片机直接控制双向可控硅进行温度控制 本论文是我三个月来不断努力的成果 其间查阅和整理了大量资料 但由于 时间有些仓促和我对知识掌握的不够 论文还存在着缺点和不足需要去改进完善 在本设计中 我深深的体会到了自己所学知识不足等缺点 尤其是不能把在 书本上所学的知识理论灵活的应用在实践中去 由于本人的水平有限 在设计中 存在很多不足之处 比如在各个电路的选择和方案的选择上 没有达到最理想的 要求 存在欠缺和需要改善的地方 请各位答辩老师指正 48 致致 谢谢 在这毕业设计即将完成之际 我要向我的指导教师谢慕君老师表示由衷的感 谢 在这次设计期间 谢老师给予了我耐心的指导和不断的鼓励 为我们提供了 大量的学习的条件 使我能顺利完成这次设计 谢老师严谨的治学态度 耐心细 致的讲解 对学生认真负责的精神以及宽以待人的胸怀 都给我留下了深刻的印 象 使我受益匪浅 更重要得是 我从她那里不仅学习到知识 而且掌握了许多 学习方法 增长了学习的能力 最后感谢四年来学校全体老师们对我的培养 在这四年里我收获了很多 在 我投身社会之际 我将以满腔的热情 旺盛的精力努力工作 不辜负学校对我的 期望 49 参参 考考 文文 献献 1 胡汉才编著 单片机原理及系统设计 J 北京 清华大学出版社 2001 2 白文峰 李霄燕编著 自动控制原理 J 吉林科学技术出版社 2003 3 张毅刚编著 单片机原理与应用 J 高等教育出版社 2004 4 王兆安 黄俊 电力电子技术 J 机械工业出版社 2002 5 陈杰 黄鸿编著 传感器与检测技术 J 高等教育出版社 2002 6 于海生等编著 微型计算机控制技术 J 北京 清华大学出版社 1998 7 李正军编著 计算机测控系统的设计与应用 J 机械工业出版社 2004 8 康华光主编 电子技术基础 J 高等教育出版社 1998 9 高金源等编著 计算机控制系统 J 北京 北京航空航天大学出版社 2000 10 邹伯敏编 自动控制理论 J 北京 机械工业出版社 1998 11 赵晓安主编 MCS 51 单片机原理及应用 J 天津 天津大学出版社 2000 12 曾庆波 孙国霞编著 微型计算机控制技术 J 四川 电子科技大学出版 社 1999 13 沈国江 孔亚广 强时变时滞系统的鲁棒 PID 继电自整定控制技术 自 动化博览 14 王亚刚 邵惠鹤 一种基于灵敏度的自整定最优 PI 控制器 自动化学报 2001 15 赵建华 沈永良 一种自适应 PID 控制算法 自动化学报 2001 16 周斌 吴刚 张志刚等 基于自适应法的 PID 自整定仪的开发及应用 仪 器仪表与装置 2001 17 吴晓帆 智能 PID 控制 自动化与仪表 2001 18 张军英 方敏 智能 PID 控制器及其自学习 黑龙江自动化技术与应用 19 陶永华著 新型 PID 控制及其应用 J 北京 机械工业出版社 1998 20 何立民编著 MCS 5 I 系列单片机应用系统设计 J 北京 北京航空航天 大学出版社 1999 21 潘新民编著 微型计算机控制技术 J 北京 人民邮电出版社 1998 22 郭锁风主编 计算机控制系统 J 北京 航空工业出版社 1987 23 张晋格主编 计算机控制原理及应用 J 北京 电子工业出版社 1995 50 24 金以惠著 过程控制 J 北京 清华大学出版社 25 杜隽隆著 微型计算机控制系统 J 西安 西北工业大学出版社 1992 26 杨大怡著 微型计算机控制技术 J 重庆 重庆大学出版社 1996 27 李人厚编著 智能控制理论和方法 J 西安 西安电子科大出版 1998 28 任兴全土编 控制系统计算机仿真 J 北京 机械工业出版社 1987 29 吴麟主编 白动控制原理 J 北京 清华大学出版社 1987 30 戴忠达著 自动控制理论基础 J 北京 清华大学出版社 1988 31 Nick Sigrimis Robort E King Advances in greenhouse environment control Computers and Electronics Agriculture 20D0 26 3 217 219 32 Zhou Changji Wang Yingkuan Moder Greenhouses and Their Performances in China Transactions of the CSAE 2001 17 1 16 21 33 S Ameur a M Laghrouche a A Adane b Monitoring a greenhouse using a microcontroller based meteorological data acquisition system Renewable Energy RPnewahie Fnprev 2001 24 1 19 30 34 K G Arvan it is a P 1 Paraskevopoulos b A A Vernardos b Multirate adaptive temperature control of greenhouses Computers and Electronics in Agriculture 2000 26 3 303 320 35 Th H Gieling K Schurer Sensors for information acquisition and control in Greenhouse Systems Automation Culture and Environment ed G Giacomell i Nw Brunswick Nw Tersev 1994 36 Th H Gieling W Th M van Meurs H J J Janssen A computer network with scada and case tools for on line process control in greenhouses Advances in Space Research 1996 iR 1 2 171 174 37 P Jones Simulation For Determining Greenhouse Temperature Setpoints Transactions of the ASAF 1990 33 5 38 Nasser Sionit Hellmers B R strain Growth and yield of wheat under CO2 enrichment and water stress Crop Sciense 1980 20 687 690 39 Katsu Imai Manami Okamoto Saro Effect of temperature on C02 dependence of gas exchanges in C3 and C4 crop plants japan J Crop 51 Sci 1991 60 1 139 145 40 Deng Man Tu Generating Rules for Fuzzy Logic Controller by Functions Fuzzy Sets and Systems 1996 36 83 89 52 附录附录 1 1 电阻炉温度控制硬件电路电阻炉温度控制硬件电路 123456 A B C D 654321 D C B A B 24 May 2011 K 3 DD B D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RE SE T 35 CS 6 8255 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 VCC 1 RE F IN 10 lsbDB0 16 DB1 17 AN G ND 9 DB2 18 DB3 19 DB4 20 BPLRof 12 DB5 21 DB6 22 DB7 23 10Vspn 13 DB8 24 DB9 25 20Vspn 14 DB10 26 msb 11 27 RE Fout 8 ST AT US 28 CE 6 CS 3 V s 7 A0 SC 4 R C 5 Vs 11 12 8 2 AD 574A D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 74LS373 7407 2 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 5V R31 10K R32 200 C8 22uF 5v GN D C7 30pF C6 30pF GN D 1K R25 R26 510 10K R28 4 7uF C5 GN DGN D AD OP07 GN D 120K R27 Rx2 3K 20K Uout K丝 8255 8051 74LS373 AD574A 1 1 1 1 2 2 2 2 8 100 R12 R19 6M Hz 75452 2 1 1 070912 2011 6 3 5 1k 4 TRANS1 R1 1K Rx1 20 NO T MC14528 4 11 GN D R2 100 5V Q3 NPN3 Q2 NPN2 Q1 NPN1 DIOD ED DIOD E 1 2 3 1 74LS00 R7 20 R8 300 R9 300 R10 300 R11 39 C3 0 01uF 220V R3 1K R4 1K C1 0 1uF C2 0 1uF LM311 Q1 Q2 214 6 10 12V 丝丝丝 OPTOISO1 R6 200 VCC 100K 100K 100K R30 100K R29 15 15 Rx3 GN D GN D 15 15 P3 0 1 2 3 74LS00 1 R5 1K 5 5 8 5 53 附录附录 2 2 程序清单程序清单 一 初始化程序一 初始化程序 CLEARMEMIO CL