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湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 基于单片机的电阻炉炉温控制系统设计 学号： 2006183905 姓名： 谭金虎 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 李玉声 系主任： 周 友 行 一、主要内容及基本要求 1、系统硬件设计，包括温度检测，温度控制电路等； 2、温度控制的PID算法的理解与使用； 3、编程，写出温度控制的主程序及其他子程序的程序清单； 4、画出电路图； 5、设计说明书一份（附光盘）； 6、英文文献一份。 二、重点研究的问题 1、温度控制的方式 2、 单片机芯片的选择 3、 电路图中各个接口电路 4、 整个温度控制系统程序框图和程序清单 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查找资料2010.4.202选择合适的温度控制方式2010.5.13画出电路图2010.5.74写出程序清单2010.5.135完成设计说明书2010.5.286查找英文文献及进行翻译2010.6.178四、应收集的资料及主要参考文献1. 胡汉才单片机原理及系统设计北京：清华大学出版社，20032. 何立民等单片机教程习题与解答北京：北京航空航天大学出版社，20033. 李广第单片机基础（修订版）北京：北京航天航空大学出版社，20024. 李复华8XC196KX单片机及其应用系统设计北京：清华大学出版社，2002湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 基于单片机的电阻炉炉温控制系统 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： 2006183905 姓 名： 谭金虎 指导教师： 李玉声 完成日期： 2010.6.1 毕业设计说明书题 目： 基于单片机的电阻炉炉温控制系统 58基于单片机的电阻炉温度控制系统设计摘要：主要以51系列单片机为核心对电阻炉炉温进行控制，使其温度稳定在某一个值上。最高温度为1000,并且有键盘输入给定温度值,由LED数码管显示温度值的功能.关键词:单片机;电阻炉;温度控制 The design of temperature control system of the resistance furnace based on single chip microcomputer Abstract: Mainly with 51 series single chip microcomputer for the unit of nucleus heats to the control of The resistance furnace, the tallest temperature is 1000. And the temperature of keyboard input is constant, LED digitron displays the function of temperature point.Key words: single chip microcomputer; the resistance furnace; temperature control system目 录第1章 引言.31.1 课题背景及研究意义.31.2 计算机在热处理炉炉温控制中的应用.3第2章 系统硬件设计.8 2.1温度检测及变送器.8 2.2控制机构.9 2.3 A/D转换电路.10 2.4 温度控制电路.14 2.5 部分接口电路.16第3章 温度控制的算法和程序.18 3.1 温度控制的算法.18 3.2 温度控制的程序.20第4章 对于抗干扰的探究.34 4.1 抗干扰的措施.34结束语.35致谢.36参考文献.37附录1 电路图.38附录2 英文专业文摘及翻译.39第一章 引言1.1 课题背景及研究意义近几年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。 随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。 单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、PID算法为控制方式而设计的电阻炉温度控制系统。1.2 计算机在炉温控制中的应用以前，人们是通过模拟仪表对炉温进行控制，采用人工手动操作，依据个人的工作经验和控制系统返回的数据来调节相应的设备，控制效果不太理想，生产也不稳定。到了50年代，随着计算机的出现，人们开始在工厂、实验室或其它测试环境中用计算机进行数据采集和处理。此时的计算机只起到 “离线”的应用，且计算机与过程装置之间没有任何物理上的连接。随着计算机技术的进一步发展，提供了计算机与过程装置之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。1962年，英国帝国工业公司安装了Ferranti Argus计算机控制系统，替代全部模拟控制仪表，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，经历多年研究和改进，到70年代中期进入了集散控制系统的发展时期，炉温控制也随之进步，方式不断更新，算法也不断深入 技术日益成熟。一般来说，计算机对炉温控制大致采用以四种方式1.计算机采集和处理系统(data acquisition system, DAS)计算机采集和处理系统是以计算机为核心对生产过程进行智能化，全工况开环监视系统。其主要功能包括:信息输入，信息处理，报警处理，人机联系与信息输出等。其系统构成如图1-1所示，计算机系统对生产过程的温度参数进行采集，并对信号进行转换，计算机对内部信息进行定期计算和处理。被控对象检测计算机A/D转换数码LED显示人事故报警打印机控制仪表音响灯光报警 图11 计算机采样处理系统结构图2直接数字控制系统(direct digital control, DDC)直接数字控制由计算机直接对生产过程进行控制，计算机取代模拟调节器作为生产过程控制装置，计算机按控制规律进行数值计算，并经过输出通道(D/A)直接控制生产过程。直接数字控制系统实质上是单回路或多回路的数字调节装置，它以工控机为核心，加上过程输入、输出通道，与被控对象一起构成闭环控制系统。它还具有巡回检测的全部功能，可以显示参数值，打印报表，并能进行越限报警和故障自诊。(如图1-2所示) 图12 直接数字控制系统结构图3计算机监督控制系统(supervisory computer control, SCC)由计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控制指令，送给模拟调节器或DDC计算机，由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，使其处于最优工况。其系统框图如 1-3所示。图13 计算机监督控制系统结构图SCC系统不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制，最优控制及自适应控制，它是DAS和DDC系统的综合和发展。SCC系统按结构分为两种，一种是SCC加模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统，模拟或DDC系统担负第一级控制功能，监督计算机作为的二级控制系统，通过对子回路装置的切除或投入，对子回路状态及控制效果的监视，对最佳设定值进行计算与设置，使生产过程能在协调或最优化的程度上达到要求的性能指标。监督计算机可仅完成最优工况计算，不直接参与过程控制，在有的系统中，它本身也具备直接数字控制功能，当监督计算机发生故障时，直接数字控制或模拟调节器可独立完成操作，而在模拟调节器等发生故障时，则可由监督计算机执行部分功能。4.集散控制系统(distributed control)集散控制即分散控制，信息集中管理的分布控制系统。它是计算机技术，控制技术，通信技术和CRT技术相结合的产物。集散控制是以微处理机为核心，把微型计算机，工业控制机，数据通讯系统，显示操作装置，过程通道，模拟仪表等有机的结合起来，采用组合组装式组成系统。为每个被控对象配备一套下位机控制设备，置于现场，用于对每个被控对象的数据采集和控制。总体配备一台1_控机作为上位机，置于控制室内，对现场每个被控对象进行命令下达，组织和处理数据信息，集中管理整个系统。此种方式能够实现工程系统的最优控制，使生产过程能长期在最佳状态下进行，且具有较高的可靠性，提高了系统的功能和效率，另外它的软件和硬件采用模块化结构，使用维护方便，系统易开发，易扩展，有利于分批投资逐步扩展;如果采用CRT操作站会有良好的人机交互接口;数据的高速传输，设备、通信，配线的费用低廉。性能价格比较好。(其系统框图见图1-4) 近年来，由工控机 (或PC机)和多台单片机或PLC构成的集散测控系统已广泛用于工业自动化控制中。它既利用了单片机和PLC价格低、功能强、可靠性高的优点 构建适宜于工业现场的监控站或下位机，又结合PC机丰富的软硬件资源，提供管理功能强大、人机界面友好的操作平台，实现了信息集中管理、过程分散控制的有机结合。 图14 集散系统控制结构图从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的温度控制系统己被国内外许多公司和单位作为研究对象，单片机温度控制装置硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多种功能，性能优良，运行、调试都非常方便，且生产成本低，可加快生产设备的更新换代，己开始受到重视和欢迎。加之近年来，单片机的性能不断提高，而价格却逐年降低，所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。第二章 系统硬件设计温度测控系统硬件结构图如图 21所示 。 图21 系统硬件结构图 系统的工作过程 ：温度检测及变换电路把温度转换成电压信号，经 AD转换器转换为数字信号送人8031单片机中，并与给定值(对应着所要控制的温度值)进行比较，其偏差被 PID程序计算出输出控制量，由P1.3口输出脉冲信号控制双向可控硅的导通，以实现对电炉输出有效功率的调节。 现对各部分主要电路作介绍。2.1 温度检测和变送器温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及其精度等级有关，选用镍铬一镍铝热电偶作为温度传感器，测量温度范围01000，相应输出电压为0mV-41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于将热电偶输出的0-41.32mV的电压变化成0-10Ma范围内的电流，电流/电压变送器负责将毫伏变送器输出的0-10mA 电流变换成为0-5v范围内的电压。（ADC0809的限定电压为0-5v）为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：如果温度测量范围为400-1000，则热电偶输出为16.4Mv-41.32Mv,毫伏变送器零点迁移后输出0-10mA范围内的电流。这样采用ADC0809这个8位的A/D转换器就能是量化温度误差达到正负2.34以内 2.2 控制机构本设计采用8031单片机作为控制机构的核心。8031是一种速度快，功耗大的TTL型8位单片机。它片内无ROM，片内RAM容量为128B，最高频率为24MHz，小巧，价格便宜，且在中国市场最常见，应用最广泛。8031单片机采用40条引脚双列直插封装（DIP）形式。由于受引脚数目的限制，所以有一些引脚具有第二功能。在单片机的40条引脚中，有两条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，四条控制禾其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。下面分别说明这些引脚的名称和功能。（1） 主电源引脚Vcc和VssVcc：接5V电源。Vss：接电源地。（2） 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是反向放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，此引脚必须接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反向放大器的输出端，振荡器的频率时晶体振荡频率。如采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，该引脚输入外面时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚悬空。（3） 控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD复位/备用电源输入端。ALE/PROG：地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。PSEN：外部程序库存储器读选通信号。EA/VPP：外部访问允许/编程电源输入端。（4） 输入/输出（I/O)引脚P0、P1、P2和P3P0.0P0.7：P0使一个8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。P1.01.7：P1口是8位准双向I/O端口。在EPROM编程和程序验证时，它输入低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。P2.0P2.7：P2口是一个准双向I/O端口。在CPU访问外部存储器时，它输出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它输入高8位地址。P2口可驱动4个LSTTL负载。P3.0P3.7：P3口是八位准双向I/O端口。它是一个复用功能口。作为第一功能使用时，为普通I/O口，其功能和操作方法与P1相同。作为第二功能使用时，个引脚的定义如表1。实际在使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为第一功能口线使用。P3口能驱动4个LSTTL负载。 表1 P3个口线的第二功能表 口线 第二功能 P3.0 RXD （串行口输入） P3.1 TXD （串行口输出） P3.2 INT0 （外部中断0输入） P3.3 INT1 （外部中断1输入） P3.4 T0 (定时器0的外部输入） P3.5 T1 （定时器1的外部输入） P3.6 WR （外部数据存储器“写”信号输出） P3.7 RD （外部数据存储器“读”信号输出） 2.3 A/D转换电路 选用A/D转换器ADC0809.A/D转换器芯片ADC0809简介 8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。 图2-2 ADC0809引脚图（一） ADC0809的内部结构ADC0809的内部逻辑结构图如图2-3所示。 图2-3 ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通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，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，下图为通道选择表。 图2-4 通道选择示意图（二）信号引脚ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图2-2。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).（三）. 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。A定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。B查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。C中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX 读指令，则有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：MOV DPTR， #FE00H ；送入0809的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道MOVX DPTR， A ；启动A/D转换（四） MCS-51单片机与ADC0809的接口ADC0809与MCS-51单片机的连接如图2-5所示。电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图2-5 ADC0809与MCS-51的连接如图2-6所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以作写选通信号，这一部分电路连接如图2-7所示。图2-6 ADC0809的部分信号连接 图2-7 信号的时间配合ADC0809的0通道和变送器的输出端相连，所以从通道0（IN0）上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8031通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元，在P2.2=0和WR=0时，8031可使ALE和START变为高电平而启动ADC0809工作；在P2.2=0和RD=0时，8031可以从ADC0809接收A/D转换后的数字量。也就是说ADC0809可以视为8031的一个外部RAM单元，地址为03F8H（地址重复范围很大），因此，8031执行如下程序可以启动ADC0809工作。 MOV DPTR，#03F8HMOVX DPTR,A若8031执行下列程序：MOV DPTR，#03F8HMOVX A，DPTR则可以从ADC0809输入A/D转换后的数字量2.4 温度控制电路8031对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现的。如图2-8所示。双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50HZ交流市电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。图2-8示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。显然，可控硅在给定周期T的100时间内接通时的功率最大。U 12.5 tu 25% tu 50% tu 100 t 图28可控硅调功器输出功率和通断时间的关系 可控硅接通时间可以通过可控硅控制硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦渡过零时触发通导。过零同步脉冲由过零触发电路产生，更为详细的电路原理图如图5所示。图中，电压比较器LM311用于把50Hz正弦交流电压变成方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号，单稳态触发器输出的两个窄脉冲经二极管或门混合后就可得到对应于交流220V市电的过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到温度控制电路，另一方面作为计数脉冲加到8031的T0和T1端。 图29 过零触发电路2.5 部分接口电路8031的接口电路有8155、2731和ADC0809等芯片。8155用于键盘/LED显示器接口，2732可以作为8031的外部ROM存储器，ADC0809为温度测量电路的输入接口。由图26可见，在P2.0=0P2.1=0时，8155选中它内部的RAM工作；在P2.01和P2.20时，8155选中片内三个I/O端口。相应地址分配为： 0000H00FFH 8155内部RAM 0100H 命令/状态口 0101H A口 0102H B口 0103H C口 0104H 定时器低8位口 0105H 定时器高8位口 2732是4KB EPROM型器件。8031的PSEN和2732的OE相接，P2.4和CE相连，故2732的地址空间为： 0000H0FFFH P1.0-P1.2引脚用于报警，可以和报警电路相连。图210 显示器和键盘电路第三章 温度控制的算法和程序3.1 温度控制的算法温度控制系统要求较高时，常常采样有源校正环节。有源校正环节一般是有运算放大器和电阻、电容组成的反馈网络连节而成，被广泛地用于工程控制系统中，常常被称为调节器。其中，按偏差的比例（proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制的PID调节器是应用最为广泛的一种调节器。PID调节器已经形成了典型结构，其参数整定方便，结构改变灵活（P、PI、PD、PID等），在许多工业过程控制中获得良好的效果。对于那些数学模型不易精确求得、参数变化较大的被控对象，采样PID调节器也往往能得到满意的控制效果。PID控制在经典控制理论中技术成熟，自20世纪30年代末出现模拟式PID调节器，自今仍在非常广泛的应用。今天，随着计算机技术的迅速发展，用计算机算法代替模拟式PID调节器，实现数字PID控制，使其控制作用更灵活、更易于改进和完善。通常，电阻炉炉温控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理而获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。控制论告诉我们，PID控制的理想微分方程为： （3.1）式中，e(t)=r(t)-y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中r(t)为给定值，y(t)为被测变量值；Kp为比例系数；Td为积分时间常数；u(t)为调节器的输出控制电压信号。但计算机只能处理数学信号，故上述数学方程必须加以变换。若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差为en,调节器输出为Un，则有： （微分用差分代替） (积分用求和代替）这样，式（3.1）便可改写为： （3.2）写成递推形式为： 改写成：（3.3）3.2 温度控制程序温度控制程序的设计应考虑如下问题：（1）键盘扫描，键码识别和温度显示；（2）炉温采样，数字滤波；（3)数据处理时把所有数按定点纯小数补码形式转换，然后把8位温度采样值、Umin和Umax都变成16位参加运算，运算结果取8位有效值；（4）越限报警和处理；（5）PID计算，温度表度转换。通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和T0中断服务程序组成，现分述如下：（1）主程序主程序应包括8031本身的初始化等等。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。相应程序框图如同34所示。T1中断程序程序清单为：停止输出返回清标志D5H ORG 0100HDISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH 图31 T1中断服务程序DISM5 DATA 7DH设定堆栈指针 MOVE SP, #50H ; 50H送SP 清标志和暂存单元 CLR 5EH ; 清本次越限标志 CLR 5FH ; 清上次越限标志清显示缓冲器区 CLR A ; 清累加器A MOV 2FH, A ; T0初始开CPU中断 MOV 30H, A ; MOV 3BH, A ; 温度显示扫描键盘 MOV 3CH, A ; 清暂存单元 MOV 3DH, A ; MOV 3EH, A ; MOV 44H, A ; 图32 主程序流程图 MOV DISM0, A ; MOV DISM1, A ; MOV DISM2, A ; MOV DISM3, A ; 清显示缓冲区 MOV DISM4, A ; MOV DISM5, A ; MOV TMOD, #56H ; 设T0为计数器方式2；T1为方式1 MOV TL0, #06H; T0赋初值 MOV TH0, #06H; CLR PT0 ; 令T0为低中断优先级 SETB TR0 ; 启动T0工作 SETB ET0 ; 允许T0中断 SETB EA ; 开CPU中断 LOOP: ACALL DISPLY ; 调用显示程序 ACALL SCAN ; 调用扫描程序 AJMP LOOP ; 等待中断（2） T0中断服务程序CT0T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换，读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计算器的溢出中断控制，8031利用T1溢出中断空隙时间（形成P1.3输出脉冲顶宽）完成把本次采样值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序。8031从T1中断服务程序返回后便可恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。在T0 中断服务程序中，还需要用到一系列子程序。例如：采样温度值的子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、PID计算程序、标度转换程序和温度显示程序。在PID计算程序中，也需要用到双字节家法子程序、双字节带符号数乘法子程序等。T0中断服务程序框图如图3-3所示。保护现场采样炉温数字滤波boUi(K)=Umax? Y本次越限标志送5FH清零5EH单元Ui(K）Umax? N Y上限处理 清上次越限标志 N 恢复现场返回Ui(K)=Umin? N Ui(K）Umax?置本次越限标志 Y计算PID 上次越限 N N求补下限报警 Y越限计算器加1从P1.3输出取最大PID值输出越限N次？初始化求补 N温度标度转换上限报警 Y温度显示清越限标志 （D5H）1？ Y N恢复现场 返回 图33 T0中断服务程序流程图CPU内部RAM中有关参数的分配列出如图34。相应程序清单为：ORG 000BHAJMP CT0CT0:PUSH ACC ;保护现场PUSH DPL ;保护现场PUSH DPH ;保护现场SETB D5H ;置标志ACALL SAMP ;调用采样子程序ACALL FILTER ;调用数学滤波程序CJNE A,42H,TPL ;若Ui（K）！Umax,则TPL WL: MOV C,5EH ; （5EH）送5FHMOV 5FH,C ;CLR 5EH ;清5EH单元ACALL UPL ;转上限处理程序POP DPH ;POP DPL ;POP ACC ;RETI ;中断返回TPL： JNC TPL1 ;若Ui(K)Umaz,则TPL1CLR 5FH ;清上次越限标志CJNE A,43H,MTPL ;若Ui(K)!=Umax,则MTPLHAT: SETB P1.1 ;若温度不越限，则令绿灯亮ACALL PID ;调用计算PID子程序MOV A,2FH ;PID值送ACPL A ; 对PID值求补，作为TL1值INC A ;NM: SETB P1.3 ;令P1.3输出高电平脉冲MOV TL1,A ; T1赋初值MOV TH1,#0FFH SETB PT1 ;T1高优先中断SETB TR1 ;启动T1SETB ET1 ;允许T1 中断ACALL TRAST ;调用标度转换程序LOOP: ACALL DISPLY ;显示温度JB D5H,LOOP ;等待T1中断POP DPH ; POP DPL ; 恢复现场POP ACC ;RETI ;中断返回MTPL: JNC HAT ;若Ui(K)Umin,则HATSETB P1.0 ;否则，越下限声光报警MOV A,45H ;取PID最大值输出CPL A ; 取PID值求补，作为TL1INC A ;AJMP NM ;转NM执行TPL1: SETB 5EH ;若Ui（K）Umax,则5EH单元置位JNB 5FH,WL ;若上次未越限，则转WLINC 44H ;越限计算器加“1”MOV A,44H ;CLR C ;SUBB A,#N ;越限N次吗？JNZ WL ;越限小于N次，则WLSETB P1.2 ;否则，越上限声光报警CLR 5EH ; CLR 5FH ; 清越限标志POP DPH ; POP DPL ; 恢复现场POP ACC ;RETI ;中断返回（2）T1中断服务程序：ORG 001BHAJMP CTA CT1: CLR D5H ;清标志 CLR P1.3 ;令P1.3变为低电平 RETI ;中断返回（3）子程序1、采样子程序SAMP:SAMP子程序流程图如图35所示，子程序清单如下。SAMP: MOV R0, #2CH ;采样值始址送R0SAM1: MOV ADCON,#08H ;启动A/D转换 MOV R3,#20H ;DLY : DJNZ R3,DLY ;延时ADLOOP:MOV A,ADCON ;读ADCON状态JNB ACC.4,ADLOOP ;等待A/D完成MOV ADCON,#00H ;舍去10位数字量中低2位MOV A,ADCH ;高8位数字量送存MOV R0,A ;INC R0 ;DJNZ R2,SAM1 ;若采样未完，则SAMIRET ;若采样已完，则返回Ui(k)Ui1Ui2Ui3P(K)HP(K)LURHURLKPHKPLK(I)LKI)HK(D)LK(D)HE(K)HE(K）LE(K-1)HE(K-2)LE(K-2)HE(K-2)L UmaxUmin越限计数值PID最大值2AH Ui中间值2BH 标志位*注2CH2DH 三次采样值2EH2FH30H 本次计数值31H32H 给定值33H 34H 给定值35H 36H 给定值37H 38H 给定值39H 3AH 本次计算值3BH 3CH 上次计算值3DH 3EH 上上次计算值 42H43H 给定值44H45H 图34 内部RAM中有关参数分配图2、数字滤波程序FILTER：数字滤波程序用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。数字滤波程序算法颇多，本设计采样中值滤波。中值滤波及只需对2CH、2DH和2EH中三次采样值进行比较，取中间值存放到2AH单元内，以作为温度标度转换时使用。图28示出了中值滤波程序框图。（2CH）送A采样值始址送R0采样次数送R2（2CH）！（2DH）? N（2CH)（2DH）?选通IN0启动ADC Y Y延时 N(2CH) (2DH)? （2DH）！（2EH）?A/D完成 N N（2DH）送2AH（2DH）（2EH）? Y所有采样结束？ Y Y（2DH）送2AH （2CH）！（2EH）? N N N （2DH）送2AH Y（2EH）（2CH）?返回 Y N （2EH）送2AH(2CH)送2AH Y 返回 图25采样子程序流程图 图26 数学滤波程序流程图相应程序清单为：FILTER:MOV A,2CH ;(2CH)送ACJNE A,2DH,CMP1 ;若（2CH）！（2DH），则CMP1AJMP CMP2 ;否则，转CMP2CMP1: JNC CMP2 ;若（2CH）（2DH），则CMP2XCH A,2DH ; （2CH） （2DH）XCH A,2CH ;CMP2: MOV A,2DH ;(2DH)送ACJNE A,2EH,CMP3 ;若（2DH）！=(2EH),则CMP3MOV 2AH,A ;否则，（2DH）送2AHRET ;返回CMP3: JC COMP4 ;若（2DH）（2EH），则CMP4MOV 2AH,A ;否则，（2DH）送2AHRET ;返回CMP4: MOV A,2EH ;(2EH)送ACJNE A,2CH,CMP5 ;若（2EH）！（2CH），则CMP5MOV 2AH,A ;否则（2EH）送2AHRET ;返回CMP5: JC SMP6 ;若（2EH）(2CH),则CMP6XCH A,2CH ;否则，（2EH） （2CH）CMP6: MOV 2AH,A ;A送2AHRET :3. PID计算程序式（28）可以改写成： （38）根据式（38）编程，相应程序框图如图37所示，程序清单如下：PID: MOV R5,31H ; UR送R5R4MOV R4,32H ;MOV R3,2AH ; Ui（K）送R3R2MOV R2,#00H ;ACALL CPL1 ;取Ui（K）的补码ACALL DSUM ;计算E（K）MOV 39H,R7; E（K）送39H和3AH单元MOV 3AH,R6;MOV R5,35H;KI送R5R4MOV R4,36H ;KI送R5R4MOV R0,#4AH ;积始址4AH送R0ACALL MULT1 ;计算PI=KIE（K）MOV R5,39H ; E（K）送R5R4MOV R4,3AH ;MOV R3,3BH ; E（K1）送R3R2MOV R2,3CH ;ACLL CPL1 ;对E（K1）送求补ACALL DSUM ;求E（K）E（K1）MOV R5,33H ; KP送R5R4MOV R4,34H ;MOV R0,#46H ;积始址46H送R0ACALL MULT1 ;求得PPMOV R5,49H ; Pp的高16位送R5R4MOV R4,48H ;MOV R3,4DH ; KPI送R3R2MOV R2,4CH ;ACALL DSUM ;求得PPPIMOV 4AH,R7 ; 存入4AH和4BH单元MOV 4BH,R6 ;MOV R5,39H ; E（K）送R5R4MOV R4,3AH ; MOV R3,3DH ; E（K2）送R3R2MOV R2,3EH ;ACALL DSUM ;计算E（K）E（K2）MOV R5,R7 ; 存入R5R4MOV R4,R6 ;MOV R3,3BH ; E（K-1)送R3R2MOV R2,3CH ;ACALL CPL1 ;对E(K-1)求补ACALL DSUM ;计算E(K)+E(K-2)-E(K1)MOV R5,R7 ; 存入R5R4MOV R4,R6 ;MOV R3,3BH ; E（K1）送R3R2MOV R2,3CH ;ACALL CPL1 ;对E（K-1)求补ACALL DSUM ;求E（K）2E（K1）E（K2）MOV R5,37H ; KD送R5R4MOV R4,38H ;MOV R0,#46H ;积始址46H送R0ACALL MULT1 ;求得PDMOV R5,49H ; 送入R5R4MOV R4,48H ;MOV R3,4AH ;PPPI送R3R2MOV R2,4BH ;PPPI送R3R2ACALL DSUM ;求得;PPPI+PDMOV R3,R7 ; 送入R3R2MOV R2,R6 ;MOV R5,2FH ; P（K1）送R5R4MOV R4,30H ;ACALL DSUM ;求出P（K）MOV 2FH,R7 ; 存入2FH和30H单元MOV 30H,R6 ;MOV 3DH,3BH ; E（K1）送E（K2）单元MOV 3EH,3CH ;MOV 3BH,39H ; E（K）送E（K1)单元MOV 3CH,3AH ;RET;根据E（K）URUi(K)计算E（K)最低字节次低字节次高字节最高字节最低字节次低字节次高字节最高字节 46H 47H 积分单元计算KIE(K) 48H 49H计算KPE(K)-E(K-1) 4AH 4BH积分单元计算KPE(K)-E(K-1)+KIE(K) 4CH 4DH计算KPE(K)-E(K-1)+KIE(K)+KDE(K)-2E(K-1)+E(K-2)计算P(K)返回 图37 PID算法程序流程图被乘数符号送Cy双字节加法程序DSUM; Cy=1？R5R4+R4R2 R7R6DSUM: MOV A,R4; NADD A,R2 ;MOV R6,A ; Y对R7R6求补MOV A,R5 ;ADDC A,R3 ; 乘数符号送CyMOV R7,A ; Cy=1？RET双字节求补程序CPL1 N；对R3R2求补对R5R4求补CPL1：MOV A,R2 YCPL AADD A,#01H MOV R2,A 调用无符号乘法程序MOV A,R3 CPL A 两乘数符号皆为负？ADDC A,#00H MOV R3,A YRET 两乘数符号皆为正？ N Y N 对积高16位求补 返回 图38 带符号双字节乘法程序 4.双字节带符号乘法子程序MULT1，程序框图如图38所示，相应程序清单为：入口条件：R7R6被乘数 R5R4乘数出口条件：积为32位，按R0存入标志位：SIGN1为位地址5CH DIGN2为位地址5DH程序清单如下：MULT1: MOV A,R7RLC AMOV SIGN1,C ;被乘数符号送SIGN1JNC POS1 ;若被乘数位正，则POS1MOV A,R6 ;对R6求补CPL AADD A,#01HMOV R6,A MOV A,R7 ;对R7求补CPL AADDC A,#00HMOV R7,A POS1: MOV A,R5RLC A MOV SIGN2,C ;乘数符号送SIGN2JNC POS2MOV A,R4 ;对R4求补CPL A ADD A,#01HMOV R4,A MOV A,R5 ;对R5求补CPL A ADDC A,#00HMOV R5,APOS2: ACALL MULT ;调用无符号乘法程序MOV C,SIGN1 ;两乘数皆为负？ANL C,SIGN2 ;两乘数皆为负？JC TPL ;若是，则TPLMOV C,SIGN1 ;否则，判两乘数为正ORL C,SIGN2 ;JNC TPL ;若是，则TPLfouz，对乘积的高16位求补DEC R0 ;MOV A,R0CPL A ADD A,#01HMOV R0,AINC R0MOV A,R0CPL A ADDC A,#00HMOV R0,A TPL: RET MLTY: MOV A,R6MOV B,R4MUL AB ；bd=BAMOV R0,A ; bdL送（R0）MOV R3,BMOV B,R4MUL AB ；adBAADD A,R3 ;加法形成CyMOV R3,A ;bdH+adL送R3MOV A,BADDC A,#00HMOV R2,A ；adH+Cy送R2MOV A,R6MOV B,R5MUL AB ;bc=BAADD A,R3INC R0MOV R0,A ;R3+bcl送（R01）MOV A,R2ADDC A,B ；加法，并形成CyMOV R2,A ;R2bcH+Cy送R2MOV R1,#00HJNV NEXT ;若Cy0，则NEXTINC R1 ;若Cy=1,则存R1NEXT: MOV A,R7MOV B,R5MUL AB ；ac=BAADD A,R2 ;加法，形成CyINC R0MOV R0,A ;R2+acL送（R02）MOV A,BADDC A,R1INC R0MOV R0,A ;R1acHCy送（R03）RET ;返回主程序END 第四章 对于抗干扰的探究41 抗干扰措施硬件方面的抗干扰措施主要包括：(1)在系统弱电部分电源人口处对地跨接一个220uF左右的电解电容和一个01uF的瓷片电容。在系统内部各芯片的电源端对地跨接一个001UF的瓷片电容，滤去电源中高低次谐波成份。(2)采用屏蔽和接地技术。使干扰源产生的电磁干扰降至最小。(3)合理设计PCB印制电路，精心选择、安装元器件，充分利用看门狗定时器功能，提高硬件系统的抗干扰能力。软件方面的抗干扰措施有：(1)采取“指令冗余”措施在一些对程序流向起关键作用的指令(如RET、AJMP等)或某些对系统工作状态起至关重要的指令(如SETB EA等)前插入两条“NOP”指令，保证程序正确流向，防止程序“跑飞”。(2)采用“软件陷阱”技术在未使用的中断向量区安排“软件陷阱”，以及合理地分区存放各程序模块，在相邻两个程序模块的存储空间中空出适当的存储单元，并在这些单元中填充0FFH，或在各种数据表格、散转表格的最后。安排“软件陷阱”。通过这些“软件陷阱”实时捕捉程序，防止程序“跑飞”。(3)利用软件WATCHDOG。监空程序运行。(4)利用平均滤波法求取平均值，即将最近6次采样得到的温度值，去除最大值和最小值取剩下4个数据的算术平均值作为有效温度值防止脉冲干扰测试信号，提高系统运行的稳定性。 结束语本论文是在高温电阻炉温控系统的改造过程中进行的，其中第二部分为硬件设计，考虑到该电阻炉温度高，要求炉温的控制精度也高，所以在选取硬件时也做了一定处理，测温元件采用精度高、稳定性好的热电偶，由于电阻炉比较小，故只用一支热电偶测温.在A/D转换上选用 8位A/D转换芯片ADC0809，从硬件上保证了测温精度，为提高控温精度打下了基础，利用8031单片机构成了控制器，实现了实时控制。并采用8155构成键盘显示接口。硬件的选取上有效的降低了成本，构成了能满足要求、性能价格比高的温度控制系统。本文第三部分为软件设计，软件使用汇编语言编写，效率高，实时性好，系统控制程序采用了模块化设计结构，主要由主程序、键盘中断服务程序、采样中断程序、控制中断服务程序组成。通过各个子程序的上机调试以及程序的联调，基本上达到了预期的效果，说明软件设计思路是正确的。致谢 首先感谢我的指导老师李玉声教授!课题是在李老师的指导下完成的。从硬件的设计，到软件的编写，无不浸透着李老师的心血。从李老师那里，我不仅学到了许多工程实际知识，还懂得了作为一名工程技术人员所应该具备的基本素质，那就是认真负责的工作态度和一丝不苟的求实精神，李老师在学术方面所表现出来的严谨的治学之道更让我受益非浅。我真诚地感谢李老师学习上给我的关心、爱护和培养。感谢肖微红、周慧隆等同学!感谢他们在做课题的过程中给予我的热心帮助。感谢班同学，感谢他们对我的鼓励和帮助。感谢我的父母及家人!感谢他们在生活上给与我无微不至的关心和爱护 ，在精神上给与我的鼓励和支持。参考文献1胡汉才单片机原理及系统设计北京：清华大学出版社，20032何立民等单片机教程习题与解答北京：北京航空航天大学出版社，20033李广第单片机基础（修订版）北京：北京航天航空大学出版社，20024李复华8XC196KX单片机及其应用系统设计北京：清华大学出版社，20025孙涵芳等MCS-51、MCS96系列单片机原理与应用北京：北京航空航天大学出版社，19986张友德等单片微型计算机原理、应用与实验上海：复旦大学出版社，19927吕能元等MCS51单片机微型计算机原理接口技术应用实例北京：科学出版社，19938张迎新单片微型计算机云南。应用及接口技术北京：国防工业出版社，19939李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社，199410张毅刚等MCS51单片机应用设计哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199011何立民单片机应用系统设计北京：北京航空航天大学出版社，199012立华MCS51系列单片机实用接口技术北京：北京航空航天大学出版社，199313潘新民等单片微型计算机使用系统设计北京：人们邮电出版社，199214蔡美琴等MCS51系列单片机系统及其应用北京：高等教育出版社，199215周明德微型计算机硬件、软件及其应用北京：清华大学出版社，198416何文等高档单片机原理及实用设计大连：大连理公大学出版社，199917刘乐善等微型计算机接口技术及应用武汉：华中理工大学出版社，1993附录一 电路图附录二 英文专业文摘及翻译温度控制简介和PID控制器过程控制系统 自动过程控制系统是指将被控量为温度、压力、流量、成份等类型的过程变量保持在理想的运行值的系统。过程实际上是动态的。变化总是会出现，此时如果不采取相应的措施，那些与安全、产品质量和生产率有关的重要变量就不能满足设计要求。为了说明问题，让我们来看一下热交换器。流体在这个过程中被过热蒸汽加热，如图1所示。 Fig. 1 Heat exchanger这一装置的主要目的是将流体由入口温度乃(f)加热到某一期望的出口温度T(f)。如前所述，加热介质是过热蒸汽。只要周围没有热损耗，过程流体获得的热量就等于蒸汽释放的热量，即热交换器和管道间的隔热性很好。很多变量在这个过程中会发生变化，继而导致出口温度偏离期望值。如果出现这种情况，就该采取一些措施来校正偏差，其目的是保持出口温度为期望值。实现该目的的一种方法是首先测量r(0，然后与期望值相比较，由比较结果决定如何校正偏差。蒸汽的流量可用于偏差的校正。就是说，如果温度高于期望值，就关小蒸汽阀来减小进入换热器的蒸汽流量；若温度低于期望值，就开大蒸汽阀，以增加进入换热器的蒸汽流量。所有这些操作都可由操作员手工实现，操作很简单，不会出现什么问题。但是，由于多数过程对象都有很多变量需要保持为某一期望值，就需要许多的操作员来进行校正。因此，我们想自动完成这种控制。就是说，我们想利用无需操作人员介入就可以控制变量的设备。这就是所谓自动化的过程控制。为达到上述目标，就需要设计并实现一个系统。图2所示为一个可行的控制系统及其基本构件。Fig. 2 Heat exchanger control loop首先要做的是测量过程流体的出口温度，这一任务由传感器(热电偶、热电阻等)完成。将传感器连接到变送器上，由变送器将传感器的输出信号转换为足够大的信号传送给控制器。控制器接收与温度相关的信号并与期望值比较。根据比较的结果，控制器确定保持温度为期望值的控制作用。基于这一结果，控制器再发一信号给执行机构来控制蒸汽流量。下面介绍控制系统中的4种基本元件，分别是：(1)传感器，也称为一次元件。(2)变送器，也称二次元件。(3)调节器，控制系统的“大脑”。(4)执行机构，通常是一个控制阀，但并不全是。其他常用的执行机构有变速泵、传送装置和电动机。这些元件的重要性在于它们执行每个控制系统中都必不可少的3个基本操作，即：(1)测量：被控量的测量通常由传感器和变送器共同完成。(2)决策：根据测量结果，为了维持输出为期望值，控制器必须决定如何操作。 (3)操作: 根据控器的处理,系统必须执行某种操作,这通常由执行机构来完成.如上所述,每个控制系统都有M,D和A这3种操作.有些系统的决策任务简单,而有些很复杂.设计控制系统的工程师必须确保所采取确保所采取的操作能影响被控变量,也就是说,该操作要影响测量值.否则,系统是不可控的,还会带来许多危害.PID控制器可以是独立控制器（也可以叫做单回路控制器），可编程控制器（PLCs）中的控制器，嵌入式控制器或者是用Vb或C#编写的计算机程序软件。PID控制器是过程控制器，它具有如下特征：连续过程控制；模拟输入（也被称为“测量量”或“过程变量”或“PV”）；模拟输出（简称为“输出”）；基准点（SP）；比例、积分以及/或者微分常数； “连续过程控制”的例子有温度、压力、流量及水位控制。例如：控制一个容器的热量。对于简单的控制，你使用两个具有温度限定功能的传感器(一个限定低温，一个限定高温)。当低温限定传感器接通时就会打开加热器，当温度升高到高温限定传感器时就会关 加热器。这类似于大多数家庭使用的空调及供暖系统的温度自动调节器。 反过来，PID控制器能够接受像实际温度这样的输入，控制阀门，这个阀门能够控制 进入加热器的气体流量。PID控制器自动地找到加热器中气体的合适流量，这样就保持了温度在基准点稳定。温度稳定了，就不会在高低两点间上下跳动了。如果基准点降低，PID控制器就会自动降低加热器中气体的流量。如果基准点升高，PID控制器就会自动的增加加热器中气体的流量。同样地，对于高温，晴朗的天气(当外界温度高于加热器时)及阴冷，多云的天气，PID控制器都会自动调节。 模拟输入(测量量)也叫做“过程变量”或“PV。你希望PV能够达到你所控制过程参数的高精确度。例如，如果我们想要保持温度为+1度或1度，我们至少要为此努力，使其精度保持在01度。如果是一个12位的模拟输入，传感器的温度范围是从0度到400度，我们计算的理论精确度就是4096除400度=0097656度。我们之所以说这是理论上因为我们假定温度传感器，电线及模拟转换器上没有噪音和误差。还有其他的假定。例如，线性等等。即使是有大量的噪音和其他问题，按理论精确度的110计算，1度精确度的数值应该很容易得到的。 模拟输出经常被简称为“输出”。经常在0到100之间给出。在这个热量的例子中阀门完全关闭(0)，完全打开(100)。 基准点(SP)很简单，即你想要什么样的过程量。在这个例子中一你想要过程处于怎样的温度。 PID控制器的任务是维持输出在一个程度上，这样在过程变量(PV)和基准点(SP)上就没有偏差(误差)。在图3中，阀门用来控制进入加热器的气体，冷却器的制冷，水管的压力，水管的流量，容器的水位或其他的过程控制系统。 PID控制器所观察的是PV和SP之间的偏差(或误差)。它观察绝对偏差和偏差变换率。绝对偏差就是一PV和SP之间偏差大还是小。偏差变换率就是PV和SP之间的偏差随着时间的变化是越来越小还是越来越大。 如果存在过程扰动，即过程变量或基准点变化时一-PID控制器就要迅速改变输出，这样过程变量就返回到基准点。如果你有一个PID控制的可进入的冷冻装置，某个人打开门进入，温度(过程变量)将会迅速升高。因此，PID控制器不得不提高冷度(输出)来补偿这个温度的升高。 一旦过程变量等同于基准点，一个好的PID控制器就不会改变输出。你所要的输出就会稳定(不改变)。如果阀门(发动机或其他控制元件)不断改变，而不是维持恒量，这将造成控制元件更多的磨损。 这样就有了两个矛盾的目标。当有“过程扰动”时能够快速反应(快速改变输出)。当PV接近基准点时就缓慢反应(平稳输出)。 我们注意到输出量经常超过稳定状态输出使过程变量回到基准点。比如，一个制冷器通常打开它的制冷阀门的34，就可以维持在零度(在制冷器关闭和温度降低后)。如果某人打开制冷器，走进去，四处走，找东西，然后再走出来，再关上制冷器的门- PID控制器会非常活跃，因为温度可能将上升20度。这样制冷阀门就可能打开50，75甚至100目的是赶快降低制冷器的温度然后慢慢关闭制冷阀门到它的34。 让我们思考一下如何设计一个PID控制器。 我们主要集中在过程变量(PV)和基准点(SP)之间的偏差(误差)上。有三种定义误差的方式。绝对偏差 他说明的是PV和SP之间的偏差有多大。如果PV和SP之间偏差小那我们就在输出时作一个小的改变。如果PV和SP之间偏差大那我们就在输出时作一个大的改变。绝对偏差就是PID控制器的比例环节。累积误差 给我们点儿时间，我们将会明白为什么仅仅简单地观察绝对偏差(比例环节)是一个问题。累积误差是很重要的，我们把它称为是PID控制器的积分环节。每次我们运行PID算法时，我们总会把最近的误差添加到误差总和中。换句话说，累积误差二误差1+误差2+误差3+误差4+。滞后时间 滞后时间指的是PV引起的变化由发现到改变之间的延时。典型的例子就是调整你的烤炉在合适的温度。当你刚刚加热的时候，烤炉热起来需要一定时间。这就是滞后时间。如果你设置一个初始温度，等待烤炉达到这个初始温度，然后你认为你设定了错误的温度，烤炉达到这个新的温度基准点还需要一段时间。这也就被认为是PID控制器的微分环节。这就抑制了某些将来的变化因为输出值已经发生了改变，但并不是受过程变量的影响。绝对偏差比例环节 有关设计自动过程控制器，人们最初想法之一是设计比例环节。意思就是，如果PV和SP之间的偏差很小那么我们就在输出处作一个小的修改；如果PV和SP之间的偏差很大-那么我们就在输出处作一个大的修改。当然这个想法是有意义的。 我们在MicrosoftExcel仅对比例控制器进行仿真。图4是显示首次仿真结果的表格。(滞后时间二0，只含比例环节)比例、积分控制器 PID控制器中的积分环节是用来负责纯比例控制器中的补偿问题的。我们有另外一个Excel的扩展表格，表格上仿真的是一个具有比例积分功能的PID控制器。这里(Pig5)是比例积分控制器最初的仿真表格(滞后时间0，比例常数二04)。众所周知，比例积分控制器要比仅有比例功能的比例控制器好得多，但是等于0的滞后时间并不常见。 Fig .4 The simulation chart微分控制微分控制器考虑的是：如果你改变输出，那么要在输入(PV)处反映这个改变就需要些时间。比如，让我们拿烤炉的加热为例。 Fig.5The simulation chart如果我们增大气体的流量，那么从产生热量，热量分布烤炉的四周，到温度传感器检测升高的温度都将需要时间。PID控制器中微分环节具有抑制功能，因为有些温度增量会在以后不需要的情况下产生了。正确地设置微分系数有利于你对比例系数和积分系数的确定。文献原文Introductions to temperature control and PID controllers Process control systemAutomatic process control is concerned with maintaining process variables temperatures pressures flows compositions, and the like at some desired operation value. Processes are dynamic in nature. Changes are always occurring, and if actions are not taken, the important process variables-those related to safety, product quality, and production rates-will not achieve design conditions. In order to fix ideas, let us consider a heat exchanger in which a process stream is heated by condensing steam. The process is sketched in Fig.1 Fig. 1 Heat exchanger The purpose of this unit is to heat the process fluid from some inlet temperature, Ti(t), up to a certain desired outlet temperature, T(t). As mentioned, the heating medium is condensing steam. The energy gained by the process fluid is equal to the heat released by the steam, provided there are no heat losses to surroundings, iii that is, the heat exchanger and piping are well insulated. In this process there are many variables that can change, causing the outlet temperature to deviate from its desired value. 21 If this happens, some action must be taken to correct for this deviation. That is, the objective is to control the outlet process temperature to maintain its desired value. One way to accomplish this objective is by first measuring the temperature T(t) , then comparing it to its desired value, and, based on this comparison, deciding what to do to correct for any deviation. The flow of steam can be used to correct for the deviation. This is, if the temperature is above its desired value, then the steam valve can be throttled back to cut the stearr flow (energy) to the heat exchanger. If the temperature is below its desired value, then the steam valve could be opened some more to increase the steam flow (energy) to the exchanger. All of these can be done manually by the operator, and since the procedure is fairly straightforward, it should present no problem. However, since in most process plants there are hundreds of variables that must be maintained at some desired value, this correction procedure would required a tremendous number of operators. Consequently, we would like to accomplish this control automatically. That is, we want to have instnnnents that control the variables wJtbom requ)ring intervention from the operator. (si This is what we mean by automatic process control. To accomplish his objective a control system must be designed and implemented. A possible control system and its basic components are shown in Fig.2.Fig. 2 Heat exchanger control loopThe first thing to do is to measure the outlet temperaVare of the process stream. A sensor (thermocouple, thermistors, etc) does this. This sensor is connected physically to a transmitter, which takes the output from the sensor and converts it to a signal strong enough to be transmitter to a controller. The controller then receives the signal, which is related to the temperature, and compares it with desired value. Depending on this comparison, the controller decides what to do to maintain the temperature at its desired value. Base on this decision, the controller then sends another signal to final control element, which in turn manipulates the steam flow.The preceding paragraph presents the four basic components of all control systems. They are (1) sensor, also often called the primary element. (2) transmitter, also called the secondary element. (3) controller, the brain of the control system. (4) final control system, often a control valve but not always. Other common final control elements are variable speed pumps, conveyors, and electric motors. The importance of these components is that they perform the three basic operations that must be present in every control system. These operations are (1) Measurement (M) : Measuring the variable to be controlled is usually done by the combination of sensor and transmitter. (2) Decision (D): Based on the measurement, the controller must then decide what to do to maintain the variable at its desired value. (3) Action (A): As a result of the controllers decision, the system must then take an action. This is usually accomplished by the final control element. As mentioned, these three operations, M, D, and A, must be present in every control system. PID controllers can be stand-alone controllers (also called single loop controllers), controllers in PLCs, embedded controllers, or software in Visual Basic or C# computer programs. PID controllers are process controllers with the following characteristics: Continuous process control Analog input (also known as measuremem or Process Variable or PV) Analog output (referred to simply as output) Setpoint (SP) Proportional (P), Integral (I), and/or Derivative (D) constants Examples of continuous process control are temperature, pressure, flow, and level control. For example, controlling the heating of a tank. For simple control, you have two temperature limit sensors (one low and one high) and then switch the heater on when the low temperature limit sensor tums on and then mm the heater off when the temperature rises to the high temperature limit sensor. This is similar to most home air conditioning & heating thermostats. In contrast, the PID controller would receive input as the actual temperature and control a valve that regulates the flow of gas to the heater. The PID controller automatically finds the correct (constant) flow of gas to the heater that keeps the temperature steady at the setpoint. Instead of the temperature bouncing back and forth between two points, the temperature is held steady. If the setpoint is lowered, then the PID controller automatically reduces the amount of gas flowing to the heater. If the setpoint is raised, then the PID controller automatically increases the amount of gas flowing to the heater. Likewise the PID controller would automatically for hot, sunny days (when it is hotter outside the heater) and for cold, cloudy days. The analog input (measurement) is called the process variable or PV. You want the PV to be a highly accurate indication of the process parameter you are trying to control. For example, if you want to maintain a temperature of + or - one degree then we typically strive for at least ten times that or one-tenth of a degree. If the analog input is a 12 bit analog input and the temperature range for the sensor is 0 to 400 degrees then our theoretical accuracy is calculated to be 400 degrees divided by 4,096 (12 bits) =0.09765625 degrees. We say theoretical because it would assume there was no noise and error in our temperature sensor, wiring, and analog converter. There are other assumptions such as linearity, etc. The point being-with 1/10 of a degree theoretical accuracy-even with the usual amount of noise and other problems- one degree of accuracy should easily be attainable. The analog output is often simply referred to as output. Often this is given as 0100 percent. In this heating example, it would mean the valve is totally closed (0%) or totally open (100%). The setpoint (SP) is simply-what process value do you want. In this example-what temperature do you want the process at? The PID controllers job is to maintain the output at a level so that there is no difference (error) between the process variable (PV) and the setpoint (SP). In Fig. 3, the valve could be controlling the gas going to a heater, the chilling of a cooler, the pressure in a pipe, the flow through a pipe, the level in a tank, or any other process control system. What the PID controller is looking at is the difference (or error) between the PV and the SP. SETPOINT P，I，&D CONSTANTS Difference error PID control algorithm process variable output Fig .3 PID controlIt looks at the absolute error and the rate of change of error. Absolute error means-is there a big difference in the PV and SP or a little difference? Rate of change of error means-is the difference between the PV or SP getting smaller or larger as time goes on. When there is a process upset, meaning, when the process variable or the setpoint quickly changes-the PID controller has to quickly change the output to get the process variable back equal to the setpoint. If you have a walk-in cooler with a PID controller and someone opens the door and walks in, the temperature (process variable) could rise very quickly. Therefore the PID controller has to increase the cooling (output) to compensate for this rise in temperature. Once the PID controller has the process variable equal to the setpoint, a good PID controller will not vary the output. You want the output to be very steady (not changing) . If the valve (motor, or other control element) is constantly changing, instead of maintaining a constant value, this could cause more wear on the control element. So there are these two contradictory goals. Fast response (fast change in output) when there is a process upset, but slow response (steady output) when the PV is close to the setpoint. Note that the output often goes past (over shoots) the steady-state output to get the process back to the setpoint. For example, a cooler may normally have its cooling valve open 34% to maintain zero degrees (after the cooler has been closed up and the temperature settled down). If someone opens the cooler, walks in, walks around to find something, then walks back out, and then closes the cooler door-the PID controller is freaking out because the temperature may have raised 20 d