论文基于数字PID的温度自动控制系统设计毕业论文.doc

论文基于数字论文基于数字 PIDPID 的温度自动控制系统设的温度自动控制系统设 计毕业论文计毕业论文 目 录 引言 1 1 绪论 2 1 1 本课题的设计要求 2 1 2 本文的主要内容 2 1 3 系统原理及设计 3 2 系统硬件设计 5 2 1 温度检测 5 2 1 1 传感器选择 5 2 1 2 热电偶冷端温度补偿 6 2 1 2 测量放大电路 7 2 2 A D 转换器的选择 7 2 3 CPU 选择 9 2 4 声光报警和报警处理 12 2 5 温度显示 12 2 6 可控硅调功控温 14 2 6 1 调功电路设计 14 2 7 电源设计 15 2 8 主回路设计 16 3 控制算法研究 18 3 1 PID 的控制概述 18 3 2 PID 控制 18 3 2 1 位置式 PID 控制算法 19 3 2 2 增量式 PID 控制算法 20 3 2 3 积分分离 PID 算法 20 4 系统软件设计 22 4 1 系统主程序流程图设计 22 4 2 积分分离 PID 控制流程设计 22 4 3 A D 转换流程图设计 22 5 结论 26 致谢 27 参考文献 28 附录 A 译文 29 附录 B 原文 38 附录 C 程序 52 附图 D 电路图 63 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 1 引言 在科学实验中广泛应用恒温箱 尤其在老化试验中对高温恒温箱应用的更多 所以 对恒温箱的研究越发重要 1 本课题设计一个高温恒温箱 采用数字 PID 算法对采集进来 的信号进行处理 在调节功率部分 特色采用零点检测技术 运用可控硅调节功率 这 样可以做到实时调功 安全稳定 而且工作效率比较高 节电环保 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 2 1 绪论 1 1 本课题的设计要求 本设计是基于数字 PID 的温度自动控制系统 要求设计一个恒温箱 保温范围为 800 到 850 摄氏度 当温度超过 850 摄氏度时候 启动风扇进行散热 1 2 本文的主要内容 本文详细地介绍了设计步骤 以及各个模块的电路和详细说明 并要有系统设计的 电路总图 下面将就本文各个章节计划完成的功能和主要工作做一下简单介绍 本文的 主要工作如下 第一章 主要介绍了课题要求和恒温箱温度控制系统设计原理 第二章 本章是设计的重要部分 即硬件设计 在这一章中主要介绍系统的各个功 能模块和它们的电路图 它是在第一章的基础上更加细致地介绍恒温箱温度控制的各个 组成部分 简要分析电路图的工作过程及功能 以 AT89S51 单片机为主体 利用 K 型热 电偶采集温度 将信号经过再经过转换变成 0 5V 电压信号并输入 A D 转换 将转换结果 送到单片机进行处理 处理结果做到响应输出 主回路部分用控制可控硅触发角调节功 率 另外 为了采集过零电压信号 硬件部分利用了过零检测技术 第三章 本章是控制算法研究部分 是为了达到满意的控制效果 研究具有良好控 制状况的控制算法 第四章 本章主要是软件设计部分 主要设计了主程序 A D 转换 PID 运算流程图 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 3 1 3 系统原理及设计 本系统是由 AT89S51 单片机 温度检测处理电路 A D 转换器 显示电路 晶闸管 触发电路等组成的控制器和被控对象恒温箱构成一个闭环控制系统 见图 1 1 用于测量 恒温箱温度的 K 型热电偶电势发生变化 运用 AD590 进行冷端补偿 然后将信号经过放 大处理为 0 5V 电压信号 将此电压送入 AT89S51 内的采样保持器和 A D 转换电路后得 到与恒温箱相应的数字量 然后对此数字量经数字进行滤波 通过 LED 显示温度 当采 样周期到达时 与设定温度进行比较 再作 PID 运算 根据运算结果 通过 I O 口去改变 控制脉冲触发角度 从而改变晶闸管在一个固定的控制周期 Tc 内的导通时间 即改变恒 温箱的平均输入功率 以此来达到控温目的 2 本系统利用单片机系统实现恒温箱温度恒定控制 其总体结构图如图 1 1 图 1 1 恒温箱温度控制系统结构框图 Figure 1 1 the constant temperature box temperature control system structure diagram 所示 系统主要有 AT89S51 单片机 温度检测处理电路 A D 转换器 显示电路 晶闸 管触发电路等组成的控制器和被控对象恒温箱构成一个闭环控制系统 3 温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机 单片机结合现场温度与设定的 目标温度 按照已经编程固化的控制算法计算出实时控制量 而此控制算法在传统的 PID 单 片 机 系 统 A T 8 9 S 5 1 恒 温 箱 温度 检 测 A D 转换 信号放大 处理 可控硅功 率调节 声光报警 过零检测 温度显示 输入功率 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 4 基础上有了改进 改进的 PID 算法 积分分离 PID 其主要用途是当被控制量与系统设定 值偏差较大时 能取消积分作用 避免由于积分作用使系统稳定性下降 超调量增加 当被控 量接近设定值时 引入积分控制 以消除系统静差 提高系统控制精度 4 以此控制量控制可 控硅的触发角度 决定加热电路的工作状态 在温度到达设定的目标温度后 其温度下 降大的时候 单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较 作出相应的控制 可以 相应减小控制可控硅的触发角度 增大加热功率 已保证恒温箱温度在 800 850 当 温度下降小的时候 相应增大触发角度 降低加热功率 保持恒温箱工作在要求温度范 围内 当恒温箱内的温度超过 850 时候 单片机发出指令使声光报警启动 并且开启风 扇进行散热 当温度达到要求范围内风扇关闭 声光报警停止 当恒温箱内温度低于 800 时候 加热功率达到最大 并且声光报警 到温度达到要求后 声光报警停止 系 统运行过程中的温度数值由数码管实时显示 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 5 2 系统硬件设计 2 1 温度检测 为了实现对恒温箱进行温度采集处理 我们设计此部分 温度检测调制主要任务是 选择符合课题要求的传感器 这里选用了 K 型热电偶 并且运用 AD590 进行了冷端温度 补偿 为了与 A D 转换器电压匹配 对热电偶输出信号进行放大处理 2 1 1 传感器选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类 前者是让温度传感 器直接与待测物体接触 而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离 检测从待 测物体放射出的红外线 达到测温的目的 在接触式和非接触式两大类温度传感器中 相比运用多的是接触式传感器 非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用 目前得 到广泛使用的接触式温度传感器主要有热电式传感器 其中将温度变化转换为电阻变化 的称为热电阻传感器 将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器 5 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类 前者简称热电阻 后 者简称热敏电阻 常用的热电阻材料有铂 铜 镍 铁等 它具有高温度系数 高电阻 率 化学 物理性能稳定 良好的线性输出特性等 常用的热电阻如 PT100 PT1000 等 热电阻传感器一般检测在 200 到 800 摄氏度温度范围 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器 它具有结构简单 制 造方便 测温范围宽 热惯性小 准确度高 输出信号便于远传等优点 热电偶一般可 以检测 0 2300 摄氏度的温度范围 甚至更高 使用温度在 1300 到 1800 要求精度又 比较高时 一般选用 B 型热电偶 要求精度不高 气氛又允许可用钨铼热电偶 高于 1800 一般选用钨铼热电偶 使用温度在 1000 1300 要求精度又比较高可用 S 型热电偶 和 N 型热电偶 在 1000 以下一般用 K 型热电偶和 N 型热电偶 低于 400 一般用 E 型 热电偶 250 下以及负温测量一般用 T 型电偶 在低温时 T 型热电偶稳定而且精度高 6 非接触式温度传感器主要是被测物体通过热辐射能量来反映物体温度的高低 这种 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 6 测温方法可避免与高温被测体接触 测温不破坏温度场 测温范围宽 精度高 反应速 度快 既可测近距离小目标的温度 又可测远距离大面积目标的温度 目前运用受限的 主要原因一是价格相对较贵 二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题 而且其输出受与被测量物体的距离 环境温度等多种其它因素的影响 由于本课题的任务要求测量的范围为800 850 综合价格以及各方面性能 决定 采用镍铬 镍硅合金的K型热电偶作为本课题的温度传感器 K型热电偶具有线性度好 热电动势较大 灵敏度高 稳定性和均匀性较好 抗氧化性能强 价格便宜等优点 其 测温范围 200 1300 如表2 1为K型热电偶分度表 参考温度是0 表2 1 K型热电偶分度表 Table 2 1 type thermocouple thermometer K 0102030405060708090 温度 热电动势 mV 00 000 0 397 0 798 1 203 1 611 2 022 2 436 2 850 3 266 3 681 1004 095 4 508 4 919 5 327 5 733 6 137 6 539 6 939 7 338 7 737 2008 137 8 537 8 938 9 341 9 745 10 15110 56010 96911 38111 793 300 12 20712 62313 03913 45613 87414 29214 71215 13215 55215 974 400 16 39516 81817 24117 66418 08818 51318 93819 36319 78820 214 500 20 64021 06621 49321 91922 34622 77223 19823 62424 05024 476 600 24 90225 32725 75126 17626 59927 02227 44527 86728 28828 709 700 29 12829 54729 96530 38330 79931 21431 21432 04232 45532 866 800 33 27733 68634 09534 50234 90935 31435 71836 12136 52436 925 900 37 32537 72438 12238 91538 91539 31039 70340 09640 48840 879 1000 41 26941 65742 04542 43242 81743 20243 58543 96844 34944 729 1100 45 10845 48645 86346 23846 61246 98547 35647 72648 09548 462 1200 48 82849 19249 55549 91650 27650 63350 99051 34451 69752 049 1300 52 39852 74753 09353 43953 78254 12554 46654 807 2 1 2 热电偶冷端温度补偿 热电偶冷端温度补偿采用集成温度传感器AD590 AD590是美国Anlog Devices公司生 产的单片集成的二端式温度敏感电流源 具有温度响应速度快 体积小 寿命长 精度 高 线性度好 能进行远距离测量等优点 并且有宽的激励电压 在位位4 位30 V之间任 何值电压下都产生标准的 1 A 输出 可以用它产生的温度敏感电流形成补偿电压 而且 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 7 接法简单 6 AD590 作为热电偶冷端温度补偿测温元件 安置在冷端附近 使之与冷端处于同一 温度下 其输出电流随冷端温度而改变 以K型热电偶为例 以 I 表示与 173 0 温度相 对应的电流流过AD590的电流 流过AD590的电流 2 1 02731ICA 式中 0 热电偶冷端温度 负载电阻R上输出电压 2 2 101 0 2731VI RR 选择R1使V0在A D允许输入范围内 本系统选R1 10K 利用公式 2 1 可方便地求出 任意时刻的冷端温度 0 经过处理之后就可得到该温度的补偿电势 这种测量方法 不 需对冷端温度作严格限制 且结构简单 补偿精度高 可在冷端温度变化不大的情况下 予以准确补偿 克服了常规方法补偿误差大和不方便的缺点 2 1 22 1 2 测量放大电路测量放大电路 从热电偶输出的热电势信号最多不过几十毫伏 一般为 0 到 56 mV 信号需经运放放 大 且其中包含工频 静电和磁耦合等共模干扰 对这种电路放大就需要放大电路具有 很高的共模抑制比以及高增益 低噪声和高输入阻抗 因此宜采用测量放大电路 测量 放大器的输入阻抗高 易与各种信号源匹配 并且输入失调电压和输入失调电流及输入 偏置电流小 温漂也较小 因而其稳定性好 测量放大电路 如图 2 1 为温度测量放大电 路 K位位位位 1K 80K OUT 位位位位位位LM224 图 2 1 温度测量放大电路 Figure 2 1 temperature measurement amplifier circuit 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 8 2 2 A D 转换器的选择 A D 转换器用于实现模拟量到数字量的转换 按转换原理可分为四种 即 计数式 A D 转换器 双积分式 A D 转换器 逐次逼近式 A D 转换器和并行式 A D 转换器 目前 最常用的是双积分式 A D 转换器和逐次逼近式 A D 转换器 双积分式 A D 转换器的主要 优点是转换精度高 抗干扰性能好 价格便宜 但转换速度较慢 因此这种转换器主要 用于速度要求不高的场合 另一种常用的 A D 转换器是逐次逼近式的 逐次逼近式 A D 转换器是一种速度较快精度较高的转换器 其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间 上面大致介绍了下 A D 转换器的种类 由于本系统是温控系统 CPU 采用 AT89S51 要求有较高的精度 而且考虑到成本 我们选用模数转换芯片 ADC0809 下 面对 ADC0809 大致介绍下 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A D 转换器 ADC0809 由单一的 5V 电 源供电 片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关 由 C B A 的编码来决定所选的通 道 ADC0809 完成一次转换需 100 s 左右 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器 可直接连到 单片机的数据总线上 通过适当的外接电路 可对 0 到 5V 的模拟信号进行转换 6 ADC0809 内部逻辑结构如图 2 2 所示 ST CLK EOC D0 D7 IN0 IN7 A B C ALE A D VCC GND OE VR VR 3 8 图 2 2 ADC0809 内部逻辑结构 Figure 2 2 ADC0809 internal logical structure 图 2 2 中多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用一个 A D 转换器进行转换 地址锁存与译码电路完成对 A B C 三个地址位进行锁存和译码 其 译码输出用于通道选择 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 9 了解了 ADC0809 的功能后 按照系统需求我们设计了 A D 转换电路 如图 2 3 图 2 3 A D 转换电路 Figure 2 3 A D circuit 本 A D 转换电路采用常用的 8 位 8 通道数模转换专用芯片 ADC0809 热电偶传感 器的输出端接到 ADC0809 的 IN0 由图 2 3 可知 ADC0809 的通道选择地址 A B C 分 别由 89S51 的 P0 0 P0 2 经地址锁存器 74LS373 输出提供 当 P2 7 0 时 与写信号 WR 共同选通 ADC0809 由于 ADC0809 片内无时钟 可以利用 89S51 提供的地址锁存允 许信号 ALE 经 D 触发器二分频后获得 ALE 脚的频率是 89S51 单片机时钟频率的 1 6 此系统中单片机时钟频率采用 6KHz 则 ALE 脚的输出频率为 1MHz 再经过二分频后为 500KHz 恰好符合 ADC0809 对时钟频率的要求 图 2 3 中 ALE 信号与 ST 信号连在一起 在 WR 信号的前沿写入地址信号 在其后沿启动转换 图 2 3 中 ADC0809 的转换结束状 态信号 EOC 接到 89S51 的 INT1 引脚 当 A D 转换完成后 EOC 变为高电平 表示转 换结束 产生中断 在中断服务程序中 将转换好的数据送到指定的存储单元 2 3 CPU 选择 用微型计算机渗透到测试领域并得到充分发挥 是现代测试技术发展的必然趋势 也是目前作为智能仪表的设计的一般方法 目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分 IN 0 26 msb2 1 21 2 2 20 IN 1 27 2 3 19 2 4 18 IN 2 28 2 5 8 2 6 15 IN 3 1 2 7 14 lsb2 8 17 IN 4 2 EOC 7 IN 5 3 ADD A 25 IN 6 4 ADD B 24 ADD C 23 IN 7 5 ALE 22 ref 16 ENABLE 9 START 6 ref 12 CLOCK 10 IC7 ADC0809 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 IC4 74LS373 P2 7 EOC CLOCK 5V XTAL2 18 P1 4 5 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 P1 5 6 P1 7 8 EA VPP 31 Vss 20 RST Vpd 9 T1 P3 5 15 P1 3 4 XTAL1 19 RXD P3 0 10 TO P3 4 14 P2 1 22 P1 6 7 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P2 6 27 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 7 28 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 ALE PROG 30 Vcc 40 WR P3 6 16 RD P3 7 17 PSEN 29 P0 0 39 TXD P3 1 11 P2 0 21 IC3 AT89S51 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 DQ P2 2 P2 4 P2 7 RXD TXD P2 5 P2 1 P2 3 XTAL2 XTAL1 RST 2 3 1 IC5A 74LS02 2 3 1 IC6A 74LS02 5V 5V a b c d e f g a g b f c e dd e c f b g a hh INT0 h A0 A1 A2 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 10 主要有 8 位机 16 位机 32 位机 其中的 32 位单片机近年来在信号分析与处理 语音 处理 数字图象处理等数字信号处理运用领域得到广泛的运用 但在工业测控现场 占 主导地位的还是 8 位机和 16 位机 对本课题涉及的一定精度温度的测量 运用单片机的 主要目的是构成一个具有一定判断 运算能力以及具有存储 显示等功能的系统 它所 处理的信息量和复杂程度由于是温度因而用 8 位机已经足够了 目前 生产单片机的厂 商有很多 尤其是近年来微电子技术 计算机技术的飞速发展 比较著名的有 Intel Philips Microchip Motorola Zilog Atmel 等半导体企业 在上述著名的半导体企业产品中 尤其在工业测控场合 运用较多的为 Intel 公司的 MCS 51 系列 Microchip 公司的 PIC 系列 近年来 随着 Intel 公司对 8031 内核的公开 以及各半导体企业在关键技术上的相互渗透 不仅 Intel 公司 而且 Philips 公司 Atmel 公司等企业目前都生产 MCS 51 系列的 CPU 近十年来在工业测控领域 国内运用最多 的恐怕是 Atmel 公司的 AT89 系列 它的标准型产品不仅在指令上 而且在管脚上都兼容 Intel 公司的 MCS 51 系列的第一代 CPU8031 并在片内存储器 振荡电路 功耗 软件 加密以及内置看门狗等技术水平上均有很大程度的提高 使国内的智能仪表行业的设计 与开发者越来越感到使用和设计上的方便 7 根据我们学生掌握的程度 本设计最终选用 经典的单片机 AT89S51 作为本系统的 CPU 下面简单地介绍一下 AT89S51 的特性 I O 端口 89S51 共有四个 I O 端口 为 P0 P1 P2 P3 4 个 I O 口都是双向的 且每个口都具有锁存器 每个口有 8 条线 共 计 32 条 I O 线 各端口的功能叙述如下 1 P0 口有三个功能 1 外部扩充存储器时 当作数据总线 D0 D7 2 外部扩充存储器时 当作地址总线 A0 A7 3 不扩充时 可做一般 I O 口使用 但内部无上拉电阻 作为输入输出时应在外部 接上拉电阻 2 P1 口 只做 I O 口使用 其内部有上拉电阻 3 P2 口有两个功能 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 11 1 外部扩充存储器时 当作地址总线 A8 A15 使用 2 做一般 I O 口使用 其内部有上拉电阻 4 P3 口有两种功能 除了作为 I O 口使用外 还有一些特殊功能 如表 2 2 所示 由特殊寄存器来设置 表 2 2 P3 口引脚的特殊功能 Table 2 2 foot of special mouth P3 functions 端口引脚特殊功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 的外部输入脚 P3 5T1 定时器 1 的外部输入脚 P3 6 WR 外部数据存储器的写入控制信号 P3 7 RD 外部数据存储器的读取控制信号 5 VDD 电源接 5V VSS 接地 6 RESET 此脚为高电平时 约两个机器周期 可将 CPU 复位 7 ALE PROG 地址琐存使能信号端 有三种功能 1 89S51 外接 RAM ROM ALE 接地址锁存器 当 CPU 对外部数据进行存取时 用以锁住地址的低位地址 2 89S51 未外接 RAM ROM 在系统中未使用外部存储器时 ALE 脚也会有 1 6 石 英晶体的振荡频率 可作为外部时钟 3 在烧写 EPROM ALE 作为烧写时钟的输入端 8 PSEN 程序储存使能端 1 内部程序存储器读取 不动作 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 12 2 外部程序存储器读取 ROM 在每个机器周期会动作两次 3 外部数据存储器读取 RAM 两个 PSEN 脉冲被跳过不会输出 4 外接 ROM 时 与 ROM 的 OE 脚连接 9 EA VPP 1 接高电平时 CPU 读取内部程序存储器 ROM 外部扩充 ROM 当读取内部 程序存储器超过 0FFFH 时 自动读取外部 ROM 2 接低电平时 CPU 读取外部程序存储器 ROM 10 XTAL1 XTAL2 接石英晶体振荡器 2 4 声光报警和报警处理 声光报警主要作用就是为了给用户以提示作用 在系统没有工作在要求下 起到报 警作用 当红色灯亮表示恒温箱温度超过 850 摄氏度 此时单片机发出指令驱动风扇进 行散热 一直到温度恢复正常为止 当绿灯亮表示恒温箱温度低于 800 摄氏度 这时将 功率调节到最大 进行加热 声光报警电路 如图 2 4 R2 R1 Q1 位位 位位 位位位 P1 1 P1 2 R3 P1 3 VCC 300 2K 300 位位位位 图 2 4 声光报警电路 Figure 2 4 sound light alarm circuit 2 5 温度显示 本系统采用串行口外接 74 LS164 使 TXD 端输出的移位脉冲将 RXD 端输出的数据 移入 74 LS164 进行 5 位的静态显示 虽然选择静态显示 但是其只占用单片机的 TXD 和 RXD 端口 节省了端口的占用 74LS164 是 8 位的移位寄存器 可以级联 进行多位显示 74LS164 结构如图 2 5 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 13 图 2 5 74LS164 结构图 Fig 2 5 74LS164 structure chart 各引脚说明 A B 串行输入端 CLK 移位时钟脉冲 复位端 MR 并行数据输出端 0 Q 7 Q 温度显示电路如图 2 6 所示 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LE D1 DPY 7 SEG DP a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LE D2 DPY 7 SEG DP a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LE D3 DPY 7 SEG DP a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp LE D4 DPY 7 SEG DP 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R1 R8 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R9 R16 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R17 R24 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 R25 R32 330 RXD TXD A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC11 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC12 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC13 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC114 74LS164 VCCVCCVCCVCC 图 2 6 温度显示电路 Figures 2 6 temperature display circuit 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 14 2 6 可控硅调功控温 可控硅调功控温具有不冲击电网 对用电设备不产生干扰等优点 是一种应用广泛 的控温方式 所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间 从而改变加热功 率 来实现温度调节 设采取 控制 周期为T 在T 周期内工频交流电的半周波数为N 如全导通时额定加热功率为PH 则实际的平均加热功率与T 周期内实际导通的半周波P 数n成正比 8 即 2 3 H PnPN 2 6 1 调功电路设计 目前 采用可控硅进行功率调节的触发方式有两种 过零触发 移相触发 移相触发方 式调功实际上是控制可控硅的导通角 达到调节功率的目的 此方式易造成电磁干扰且 电路复杂 据文献专门介绍 采用移相触发的可控硅交流调功装置 往往在可控硅导通 的瞬间使电网电压出现畸变 当控制角为90 时 产生的三次谐波电流为基波电流的 50 五次谐波也可达基波的1 6 这些谐波分量引起电网电压波形畸变 功率因数下降 给其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响 为此 人们研究了各种避免电压瞬时 大幅度下降和抑制高次谐波的方法 过零触发方式很好地解决了此类问题 它可把可控 硅导通的起始点限制在电源电压过零点 从而大大降低了谐波分量 然而 传统的可控 硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路 检零电路 隔离电路组成 结构复杂 降低了 可靠性 而且采用分立元件 器件的离散性和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命 9 实现可控硅调功控温需解决3个技术关键 获取工频交流电源的过零触发脉冲 作为 触发可控硅的同步脉冲 将控制算法得到的控制量变为可控硅在周期内的导通时间 隔 离工频交流电源强电对单片机系统和控制电路弱电的干扰 在这里我们软件与硬件结合 自主设计一种功率调解电路 如图2 7 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 15 3K 3K 1K 3K 10K 1K Q2 5 4 2 312 A LM339 5V 5V VCC VCC 24V 11 12 220V P1 0 位位位位位位 位位位位 3K 1K Q2 VCC 24V 13 14 P2 5 位位位位 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 IC3 AT89S51 P2 7 VCC P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 RXD TXD P2 5 P2 4 RST 图 2 7 功率调节电路 Figure 2 7 power regulating circuit 首先是同步信号取样 在电压过零点取样 交流220V电压经过变压器变化成交流5V 电压 这样设计的目的是为了实现隔离 保护后面的元器件 然后经过两个3K电阻限流 再加上一个取样电阻 当过零点时候LM339运放翻转 输出电平数值 输入单片机 经 过软件处理并输出脉冲信号 将信号经过驱动放大 然后接入主回路可控硅门极上 通 过控制触发角来实现功率控制 2 7 电源设计 直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分 它的基本任务是将电力网交流电压 变换为电子设备所需要的稳定的直流电压源 其电路如图 2 8 所示 1 2 3 4 D0 BRIDGE1 C4 100UF V1 220V T1 TRANS1 Vin 1 GND 2 Vout 3 IC10 LM7805 C5 0 1UF C6 0 1UF C7 100UF VCC 图 2 8 电源电路 Figure 2 8 power supply circuit 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 16 其中变压器是将电网电压 220V 50Hz 变换为所需的 10V 交流电压 整流是将变 压器次级交流转换为单向脉动直流 滤波是将整流后的波纹滤除 但经整流滤波后的直 流电源仍不稳定会随着电网电压或负载大小而变化 故再加稳压器稳压 得到一个波纹 小 不随电网电压和负载变化的稳定的直流电源 图 2 8 中 C 可以防止由于输入引线 5 较长而带来的电感效应而产生的自激 C用来减小由于负载电流瞬间变化而引起的高频 5 干扰 C 为较大的电解电容 用来进一步减小输出脉动和低频干扰 7 2 82 8 主回路设计主回路设计 在工业生产中 调节功率的器件多种多样 如 SCR 晶闸管 GTO 门极可关断晶闸 管 BJT 双极型功率晶体管 MOSFET 金属氧化物场效应管 IGBT 绝缘栅双极型晶体 管 等 这里我们采用课本学过的可控硅进行功率调节 电源部分采用 220V 交流电 然 后进行整流处理 通过调节可控硅的触发角来控制负载加热功率 主回路如图 2 9 所示 L1 L2 L3 11 12 13 14 12 14 11 12 220V 位位位位位位位 图 2 9 恒温箱控制系统主回路 Figure 2 9 main circuit 图 2 9 调功电路是全控桥整流电路 利用控制回路反馈过来的带有一定触发角度的 脉冲信号将可控硅成对触发导通 触发角度的大小直接影响加热功率的大小 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 17 3 控制算法研究 3 1 PID 的控制概述 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的 反馈理论主要包括三个基本要素 测量 比较和执行 测量关心的是变量 并与期望值相比较 以此误差来纠正和调节控 制系统的响应 反馈理论及其在自动控制中应用的关键是 做出正确测量与比较后 如 何用于系统的纠正与调节 在过去的几十年里 PID 控制 也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应 用 在控制理论和技术飞速发展的今天 在工业控制中 95 以上的控制回路都具有 PID 结构 而且许多高级控制都是以 PID 控制为基础的 PID 控制器由比例单元 P 积分单元 I 和微分单元 D 组成 它的基本原理很 简单 基本的 PID 控制规律可描述为 3 1 sKdsKiKpGc PID 控制具有以下优点 1 原理简单 使用方便 PID 参数可以根据过程动态特性及时调整 如KdKiKp 果过程的动态特性发生变化 如对负载变化引起的系统动态特性变化 PID 参数就可 以重新进行调整与设定 2 适应性强 按 PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化 即使目前最新式的过 程控制计算机 其基本控制功能也仍然是 PID 控制 PID 应用范围广 虽然很多工业 过程是非线形或时变性的 但通过适当简化 可以将其变成线形和动态特性不随时 间变化的系统 就可以进行 PID 控制了 3 具有鲁棒效应 10 3 2 PID 控制 现在工业控制中常用的控制技术主要是模糊控制技术和数字控制技术 模糊控制技 术是建立在模糊数学的基础上的 它是针对被控对象的数学模型不明确 或非线性模型 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 18 的一种工程实用 实现简单的控制方法 与传统的 PID 控制相比 模糊控制有更快的响 应和更小的超调 对过程参数的变化不敏感 即具有很强的鲁棒性 能够克服非线性因 素的影响 数字 PID 控制技术是一种工业控制中通用的一种控制技术 但是工业生产现场环境 复杂 往往出现在某种情况下设计好的控制参数 在另一种情况下又不满足工业生产的 需求了 而常规的数字 PID 控制不具有在线整定参数 Kp 比例系数 Ki 积分系数 Kd 微分系数 的功能 使得其不能满足系统在不同偏差绝对值 H 及偏差变化率绝对值 时 对 PID 参数的不同要求 从而影响了控制品质的进一步提高 由于本课题要求采用 数字 PID 控制 因此 我们下面对常用的三种数字 PID 控制算法进行研究 来确定一种 适合本系统的 PID 控制算法 3 2 1 位置式 PID 控制算法 计算机控制是一种采样控制系统 它只能根据采样时刻偏差值计算控制量 因此式 3 1 中的微分和积分项不能直接使用 而需要离散化处理 3 1 T keke T TkekTe t tde jejteTte kkTt t t j 1 1 3 2 1 0 0 0 将式 3 1 处理得到位置式 PID 表达式 3 2 1 0 keke T Td je Tt T keKpku k j 式中 k 采样序列 k 0 1 2 3 u k 采样的计算机输出值 e k 第 k 次采样时刻输入的偏差值 e k 1 第 k 1 采样时刻输入的偏差值 Kt 积分系数 Kt Ti KpT Kd 微分系数 Kd T KpTd 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 19 这种算法的缺点是 由于采用了全量输出 所以每次输出均与过去的状态相关 计 算时要对 e k 量进行累加 计算机运算工作量大 而且 因为计算机输出的控制量 u k 对 应的是执行机构的实际位置 如计算机出现故障 u k 可能会出现大幅度的变化 会引起 执行机构位置的大幅度变化 这种情况往往是生产实践中不允许的 在某些场合 还可 能造成重大的生产事故 因而产生了增量式 PID 控制的控制算法 3 2 23 2 2 增量式增量式 PIDPID 控制算法控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时 可由式 3 2 推导出来提供增量的 PID 控制 算式 根据递推原理可得 3 3 2 1 1 1 1 0 kekeKdjeKtkeKpku k j 用式 3 2 减式 3 3 可得 3 1 2 1 2 1 kekeKdkeKtkeKp kekekeKdkeKtkekeKpku 4 式中 1 kekeke 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进 却带来了不少的优点 1 由于计算机输出增量 所以误动作时影响小 必要时可用逻辑判断的方法去掉 2 手动 自动切换时冲击小 便于实现无扰动切换 此外 当计算机发生故障时 由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用 故仍能保持原值 3 算式中不需要累加 控制增量的确定 仅与最近 k 次的采样值有关 所以 ku 较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果 但是增量式控制也有其不足之处 积分截断效应大 有静态误差 溢出的影响大 因此 我们又考虑了一种新的算法 积分分离 PID 算法 3 2 3 积分分离 PID 算法 在恒温箱温度控制系统中对系统分析可将其近似认为是一带有纯滞后的一阶惯性环 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 20 节 对其控制采用的是 PID 控制 在使用中发现当系统开工 停工或大幅度升降给定值时 短时间内产生很大偏差 箱温控制的 PID 控制方法在积分控制器的作用下会产生强烈的控 制信号 受系统纯滞后的影响 使过渡过程出现大的超调和振荡 针对这一问题提出了一种 积分分离 PID 控制方法 用于箱温的控制 实现了无超调控制 在普通 PID 控制中引入积分环节的目的 主要是为了消除系统的静态误差 提高控制精 度 但在过程的启动 结束或大幅度增减设定时 短时间内系统输出会产生很大的偏差 造 成 PID 运算的积分累积 致使控制量超过系统执行机构可能允许的最大动作范围 造成系统 短时控制失效 引起系统较大的超调 甚至引起系统较大的振荡 这是在生产过程中绝对不允 许的 积分分离 PID 控制算法可描述为 3 5 1 1 1 k i kekeKdieKtkeKpku 当 0 时候 即偏差值比较大时 采用 PD 控制 可避免过大的超调 又使系统有较 快的响应 当 1 时候 即偏差值比较小时 采用 PID 控制 可保证系统的控制精度 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 21 4 系统软件设计 4 1 系统主程序流程图设计 系统程序主要流程是 启动单片机 进行初始化 包括定时器的设置 清显示缓冲区 及暂存单元 然后调用 A D 转换模块和温度检测处理模块得到恒温箱温度的反馈信号 根据给定值和控制算法得到控制量 并将温度值送入显示单元 温度过高或者过低的话 进行声光报警 根据控制量大小对硬件电路进来的零点检测信号进行相应的延时 以此 为脉冲触发时刻 主程序流程图 如图 4 1 4 24 2 积分分离积分分离 PIDPID 控制流程设计控制流程设计 在系统 PID 控制模块中 位置式 PID 调节对于运算量要求很大 对系统处理速度会 有影响 而增量式 PID 调节方式 积分截断效应大 有静态误差 溢出的影响大 这里 我们采用一种无超调的积分分离 PID 控制 本文专门设计了其 PID 流程图 如图 4 2 4 34 3 A DA D 转换流程图设计转换流程图设计 A D 转换主要是将从温度传感器部分采集来的模拟信号转换成数字信号 然后输入单 片机进行处理 本系统采用 ADC0809 进行 A D 转换 单片机 P2 7 引脚发出启动信号 模拟量通过 IN0 输入 ADC0809 A D 转换流程如图 4 3 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 22 开始 初始化 启动温度采集模块 采集温度 数值处理 温度显示 延时 积分分离 PID 调节 图 4 1 控制系统主程序流程图 Figure 4 1 control system master program flowchart 分频 是否高于上限或 者低于下限度 声光报警 N Y 输出 报警处理 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 23 采样输入 r k 和输出 y k 计算偏差 e k r k y k e k 开始 1 pi d u kke kk e k ke ke k 1 p d u kke k ke ke k 输出 u k 输出控制 图 4 2 积分分离 PID 控制算法流程图 Figure4 2 integral PID control algorithm 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 24 开始 启动 A D 转换 读 IN0 通道数据 转换为温度值 返回 N Y P2 7 0 图 4 3 A D 转换流程图 Figure 4 3 A D transformation chart 辽宁工程技术大学毕业设计 论文 25 5 结论 系统总体设计思路合理 首先提出了系统的原理阐述 确保系统一个有价值的控制 系统 给硬件设计和软件设计确定具体的目标 系统在硬件电路中的温度检测电路中 采用廉价的导线来延伸中间距离来弥补热电 偶自身的长度缺陷 且在冷端温度补偿中采用芯片 AD590 结构简单 补偿精度高 克服 了常规方法补偿误差大和不方便的缺点 针对恒温箱的模型特征 采用了一种改进 PID 算法 积分分离 PID 其主要用途是当 被控制量与系统设定值偏差较大时 能取消积分作用 避免由于积分作用使系统稳定性下 降 超调量增加 当被控量接近设定值时 引入积分控制 以消除系统静差 提高系统控制精 度 本系统的优点是 造价较低 抗干扰性好 系统体积小 整体结构简单 故障率低 的特点 较好的满足了生产工艺的要求 能满足目前生物 石油化工等工业产品实验开 发的需求 具有良好的市场前景 孙作斌 基于数字 PID 的温度自动控制系统设计 26 参考文献 1 计如楷 邓春岩 新型恒温箱测控系统设计 J 农业工程学报 2001 3 6 7 2 顾明文 可控硅温控器的工作原理及故障维修 J 实验室研究与探索 1995 3 74 75 3 胡寿松 自动控制原理 第四版 M 北京 科学出版社 2001 4 陶永华 新型 PID 控制及其应用 第二版 北京 机械工业出版社 2000 5 陈杰等 传感器与检测技术 北京 高等教育出版社 2002 6 余发山 单片机原理及应用技术 M 徐州 中国矿业大学出版社 2003 7 李晓荃 单片机原理与应用 北京 电子工业出版社 2000 100 102 8 莫正康主编 电力电子应用技术 第3版 北京 机械工业出版社 2007 3 9 石新春编 电力电子技术 北京 中国电力出版社 2006 3 10 王家桢 调节器与执行器 北京 清华大学出版社 2001 11 G