微型计算机控制系统的设计WK.ppt

电阻炉炉温控制系统原理图 硬件电路 1 检测元件及变送器 检测元件选用镍铬 镍铝热电偶 分度号为EU 适用于0 1000 的温度测量范围 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 毫伏变送器用于把热电偶输出的16 4 41 32mV变换成0 10mA范围内的电流 电流 电压变送器用于把毫伏变送器输出的0 10mA电流变换成0 5V范围内的电压 表1温度 数字量对照表 2 接口电路 8031的接口电路有ADC0809 8155和2732等 本系统采用ADC0809型A D转换器 该芯片为8位逐次逼近型A D转换器 ADC0809为温度测量电路的输入接口 8155用于键盘和显示接口 2732作为8031外部程序 ROM 存储器 3晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管简介晶闸管 可控硅整流器 功率放大器件 晶闸管的工作方式有 调压方式 调功方式 调压方式 是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角 使输入到电加热元件的电压改变 达到调节用电器的输入功率 来实现控制目的 调功方式 触发电路采用的是过零触发方式 外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通 则负载上得到的电压是一个正弦波 调功方式输入电炉的平均功率为 P 输入电炉的功率 R 负载有效电阻 U 电网电压 n 允许导通的波头数 N 设定的波头数 当n 0时 电炉的输入功率为零 n N 电炉的输入功率为满功率 温度控制电路如图 双向可控硅和加热丝串接在交流回路 因此可控硅导通时间决定加热丝的加热功率 下图给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况 过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲 可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通 过零同步脉冲由过零触发电路产生 输出功率与通断时间的关系 过零触发电路 返回本节 4 控制策略的选择 1 直接数字控制直接数字控制是根据采样理论 首先把被控对象的数学模型进行离散 然后由计算机根据离散化的数字模型进行控制 这种控制方法与PID控制相比 其针对性更强 调节品质更好 2 最优控制要求系统能够根据被测参数 环境及原材料的成分的变化而自动对系统进行调节 使系统随时都处于最佳状态 包括性能估计 辨别 决策和修改三个环节 它是微机控制系统发展的方向 但由于控制规律难以掌握 所以推广起来尚有一些问题难以解决 微机控制技术 3 模糊控制模糊控制也叫Fuzzy控制 是按照人的思维方法去完成各种控制 采用这种方法 不需要数学模型 只要把设计者的控制决策 即专家意见 用模糊规则加以描述 即可实现模糊控制 模糊控制的特点是简单 执行速度快 占用内存少 开发方便 迅速 因而近几年得到了广泛的应用 微机控制技术 4 史密斯 Smith 预估控制 施密斯提出了一种纯滞后补偿模型 但由于模拟仪表不能实现这种补偿 致使这种方法在工程中无法实现 现在人们利用微型计算机可以方便地实现纯滞后补偿 5 PID控制是模拟调节系统中技术最成熟 应用最为广泛的一种调节方式 PID调节的实质就是根据输入的偏差值 按比例 积分 微分的函数关系进行运算 运算结果用以控制输出 在实际应用中 根据被控对象的特性和控制要求 可灵活地改变PID的结构 取其中的一部分环节构成控制规律 如比例 P 调节 比例积分 PI 调节 比例积分微分 PID 调节等 特别在计算机控制系统中 更可以灵活应用 以充分发挥微型机的作用 微机控制技术 式中 t T 采样周期 必须使T足够小 才能保证系统有一定的精度 E k 第k次采样时的偏差值 E k 1 第 k 1 次采样时的偏差值 K 采样序号 A 0 l 2 P k 第k次采样时调节器的输出 由于输出值与阀门开度的位置一一对应 因此 通常称为位置型PID的位置控制算式 微机控制技术 5 1积分分离的PID算式 设给定值为R k 经数字滤波后的测量值为M k 最大允许偏差值为A 则积分分离控制的算式为当图7中曲线1为采用积分分离手段后的控制曲线 比较曲线1和2可知 使用积分分离方法后 显著降低了被控变量的超调量和过渡过程时间 使调节性能得到改善 微机控制技术 具有积分分离作用的控制过程曲线 微机控制技术 5 2变速积分的PID算式 变速积分PID的基本作法是设法改变积分项的累加速度 使其与偏差大小相对应 偏差大时 积分累加速度慢 积分作用弱 偏差小时 使积分累加速度加快 积分作用增强 微机控制技术 为此 设置一系数f E k 它是E k 的函数 当 E k 增大时 f减小 反之则增大 每次采样后 用f E k 乘以E k 再进行累加 即式中 表示变速积分项的输出值 f与 E k 的关系可以是线性或高阶的 如设其为如下关系式 微机控制技术 分析 1 f值在0 1区间内变化 2 当偏差大于所给分离区间A十B后 f 0 不再进行累加 3 E k A十B 后 f随偏差的减小而增大 累加速度加快 4 直至偏差小于B后 累加速度达到最大值l 将代入PID算式 可得 微机控制技术 变速积分PID优点 1 实现了用比例作用消除大偏差 用积分作用消除小偏差的理想调节特性 从而完全消除了积分饱和现象 2 大大减小了超调量 可以很容易地使系统稳定 改善了调节品质 3 适应能力强 一些用常规PID控制不理想的过程可以采用此种算法 微机控制技术 4 参数整定容易 各参数间的相互影响小 而且对A B两参数的要求不精确 可作一次性确定 变速积分与积分分离控制方法很类似 但调节方式不同 积分分离对积分项采用 开关 控制 而变速积分则是根据误差的大小改变积分项速度 属线性控制 因而 后者调节品质大为提高 是一种新型的PID控制 微机控制技术 6控制系统程序设计 主程序流程图 1 主程序 2 T0中断服务程 T0中断服务程序是此系统的主体程序 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 在T0中断服务程序中 要