电炉温度自动控制系统的软件设计论文三.doc

课程论文课程论文 题题 目目 电炉温度自动控制系统的软件设计电炉温度自动控制系统的软件设计 专 业 信息工程 学生姓名 陈进 学 号 20082309016 得 分 提交时间 提交时间 2011 年年 6 月月 13 日日 电炉温度自动控制系统的软件设计电炉温度自动控制系统的软件设计 摘要摘要 以单片机 8051 为控制核心 采用开关控制与 PID 控制相结合的控制算 法 实现较高精度的电炉温度自动控制的系统软件设计 关键词关键词 电炉 温度控制 开关控制 PID 算法 单片机 一一 引言引言 在冶金工业 化工生产 食品加工等许多领域中 人们都需要对各类加热 炉 反应炉和锅炉中温度进行监测和控制 以往对这些用电加热设备多采用常 规化仪表加接触器的断续控制方法 不能很好地实现实时控制 难以达到高精 度的温控要求 本文根据电炉温度控制的特点 主要从控制策略及软件设计方 面讨论电炉温度自动控制系统的实现 二二 系统论证系统论证 对电炉温度的控制可根据电炉的实际温度实时调整电炉的平均电功率来达 到目的 因此 实现较高精度的温度自动控制系统需要解决两方面问题 一是 较高精度的温度测量电路及其数据处理 二是控制策略及其控制电路的研究 下面从这两方面阐述系统的设计思想 1 温度测量及数据处理 温度测量部分是整个系统的基础 温度检测元件的选择与被控温度及精度 有关 本系统设计成控温范围 0 1024 分辨率 1 这样 整个系统的 温度采用点数为 1024 点 考虑到 A D 转换的 1LSB 误差及各种干扰因素 10 位 A D 转换器为临界应用 系统的线性度 准确度难以保证 故采用 12 位 A D 转换器 温度测量分辨力为 0 25 对电炉温度的控制实质是对强电 AC220V 功率的控制 存在各种干扰 实 际温度信号被认为是变化缓慢的 为提高温度测量的抗干扰能力 达到所需的 测控精度 必须进行滤波处理 本系统采用数字滤波技术 与模拟滤波相比 具有经济 可靠 灵活 稳定性好的优点 2 控制策略及控制电路 实际温度控制系统中 常采用开关控制或 PID 控制方式 开关控制的特点 是可以使系统以最快的速度向平衡点靠近 但在实际应用中很容易造成系统在 平衡点附近振荡 使得精度不高 而 PID 控制具有广泛的实用性 稳态误差小 但误差较大时系统容易出现积分饱和 从而导致系统出现很大超调量 甚至失 控 针对以上问题 人们不断在研究各种控制策略的应用 其中具有智能特点 的模糊控制倍受青睐 但模糊控制含有大量专家经验 实际实现比较困难 因 此 本系统采用开关控制与 PID 控制相结合的方法 具体控制过程为 当温差 大时 利用开关控制迅速减小偏差 以缩小调节时间 当温差小于某一值时采 用 PID 控制以使系统快速稳定 并保持系统无静差 在这种控制方法中 由于 PID 控制在较小温差时才开始进入 这样可有效避免数字积分器的饱和 本系统采用在给定控制周期内选通交流电半周期数来控制电炉的平均电功 率 达到调节温度的目的 对于工频交流电 f 50HZ 设控制周期为 2 5S 则在 一个控制周期内有 250 个交流电半周期 假设电炉在 2 5S 内全导通时的功率为 PH 而实际输出功率P将和每个控制周期内导通的交流电半周期数成正比 公 式表示为 PPH 250 N 电路构成如图 1 中功率控制执行电路 P1 4控制继电器的通断 如果由程 序控制 P1 4在每个 2 5S 内输出低电平时间的长短 则通过继电器的交流电半周 期数目可控 三三 系统硬件框图系统硬件框图 本系统采用 8051 单片机为控制核心 温度传感器输出的温度电压信号经 放大及模数转换后得到温度数字信号 再进入单片机进行处理和控制运算 并 将运算得到的控制量输出到功率控制执行电路 过零脉冲提取电路用于获取交 流电半周期数信息 键盘和数码显示实现用户与系统之间对话 8051 单片机本 身含有 4KB 的程序存储器 简化了电路设计 在过零脉冲提取电路中 一般情况下 D1 D2 中总有一个是正向导通的 则 T1 T2 总有一个处于饱和导通状态 输出电压 V0为高电平 在市电过零点 附近 交流电压小于 Vd Vd 为二极管的正向导 通压降 此时 两个二极管均截止 V0 输出 低电平脉冲 用这种方法可以精确的提取过零 脉冲 对此脉冲计数即可知道经过的交流电半 周期数目 四系统软件设计四系统软件设计 1 温度控制算法 PID 比例 积分 微分 控制实质是偏差控制 是根据实际测量值与设定 值的偏差 e t 按比例 积分 微分的函数关系进行运算 其结果 为一个数 字量 用以输出控制 根据控制理论 1 对连续 PID 控制的理想微分方程为 式中 e t UR t Uy t 称为偏差值 是调节器的输入信号 UR t 为给定值 Uy t 为被测变量值 KP为比例系数 TI 为积分系数 TD为微分系数 U t 为 dt t de T t dte T 1 t e K U t D t 0 I P T ee TTe T 1 e KUn 1 n n D n 0K K I nP 控制器的输出控制信号 将上式离散化 变成适合于计算机计算的差分方程形 式 通常微分用差分近似 积分用求和近似 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 则差分方程形式为 这是数字 PID 位置式算法 由此可得数字 PID 增量式算法 eKeKe KU n 2 Dn In P n 该算法的计算量和存储量都比较小 本系统的 PID 控制采用增量式算法 并将其转换为位置式输出形式 即 eKeKe KUU n 2 Dn In P 1nn 其中 KI T TI KD TD T en en en 1 2en en en 1 但是 典型的温度控制系统是一纯滞后系统 由单纯的 PID 控制 在偏差 较大时超调量大 调节时间长 如前所述 开关控制却能够以最快的速度向平 衡点靠近 所以 系统的控制采用开关控制与 PID 控制相结合的方法 较好的 解决了以上问题 该控制方法用公式表示为 当 en 时 Un 最大值或最小值 开关控制 当 en 时 Un 最大值或最小值 开关控 制 当 en 时 eKeKe KUU n 2 Dn In P 1nn PID 控 制 根据此算法即可编写出程序 PID 运算结果是浮点数格式 对其取整数存 入 20H 单元作为控制输出 程序流程图如图 8 温度标度转换程序 TRAST 目的是要把实际采样的二进制值转换成 BCD 码形式的温度值 再存到显示 缓冲区 对一般线性仪表 标度转换公式为 A0为一次测量仪表的下限 A m为一次测量仪表的上限 AX为实际测量值 工程量 N0为仪表下限所对应的数字量 Nm为仪表上限所对应的数字量 Nx 为测量所得数字量 本系统的参数为温控范围 0 1024 A D 转换位数 12 位 即 A0 0 Am 1024 N0 0 Nm 212 4096 4 N 4096 N 1024A XX X 所以将测量值右移 2 位 再转化为 BCD 码 可得温度值的十进制表示 应 对移出位作四舍五入 若移出的第二位为 0 则舍去 为 1 则进位 键盘输入与数码显示 本部分程序主要完成温度设定值的输入和温度设定值 测量值的显示 键 盘输入采用中断方式 在编制程序时 应注意温度输入值的分辨力为 1 用 二进制数表示是 10 位数字 而测量值的分辨力为 0 25 用二进制数表示是 12 位数字 为使输入值与测量值运算精度相同 应将输入值左移 2 位 在控制 运算中 使用的是浮点数格式 必须将设定值化为浮点数格式 并存入以 34H 单元开始的连续 4 字节中 转化方法是先赋给设定值正确的阶数 再调用规格 化子程序对其规格化 本系统软件在 TCS 51 仿真系统上调试通过 由于实验条件限制 调试时 温度测量部分使用 8 位 A D 高位字节由赋值方式完成 但这并不影响系统软 件的正确性 五五 结束语结束语 整个系统的设计思想是提高静态控温精度 减少调节时间和超调量 由于 采用 12 位 A D 转换器和数字滤波技术 以及在控制运算中使用 4 字节浮点数格 式 使系统的测控精度大为提高 在控制策略上 采用开关控制 PID 控制相结 合的控制方法 较好地解决了超调量与调节时间的问题 该系统的软件设计是以温度测量值已线性化为前提的 但实际系统中往往 是非线性的 即实际温度值与传感器的输出电压不是线性关系 对此 可设立 线性化表 通过查表方法线性化 参考文献 1 何克忠 李伟 编著 计算机控制系统 M 北京 清华大学出版 社 1998 2 李清泉 杜继宏 编著 计算机控制系