计算机控制技术课程设计之电阻炉温度控制系统

武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 1 摘要 随着科学技术的迅猛发展 各个领域对温度控制系统的精度 稳定性等要求越来越 高 控制系统也千变万化 电阻炉广泛应用于各行各业 其温度控制通常采用模拟或数 字调节仪表进行调节 但存在着某些固有的缺点 而采用单片机进行炉温控制 可大大 地提高控制质量和自动化水平 具有良好的经济效益和推广价值 本设计以 89C51 单片机为核心控制器件 以 ADC0809 作为 A D 转换器件 采用闭 环直接数字控制算法 通过控制可控硅来控制热电阻 进而控制电炉温度 最终设计了 一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统 关键字 电阻炉 89C51 单片机 温度控制 A D 转换 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 2 电阻炉温度控制系统 1 系统的描述与分析 1 1 系统的介绍 该系统的被控对象为电炉 采用热阻丝加热 利用大功率可控硅控制器控制热阻丝 两端所加的电压大小 来改变流经热阻丝的电流 从而改变电炉炉内的温度 可控硅控 制器输入为0 5伏时对应电炉温度0 500 温度传感器测量值对应也为0 5伏 对象的特 性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统 这里惯性时间常数取T1 30秒 滞后时间常数取 10秒 该系统利用单片机可以方便地实现对 PID 参数的选择与设定 实现工业过程中 PID 控制 它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行 A D 转换 再送入计算机中 与设定值进行比较 得出偏差 对此偏差按 PID 规律进行调整 得出对应的控制量来控 制驱动电路 调节电炉的加热功率 从而实现对炉温的控制 利用单片机实现温度智能 控制 能自动完成数据采集 处理 转换 并进行 PID 控制和键盘终端处理 各参数数 值的修正 及显示 在设计中应该注意 采样周期不能太短 否则会使调节过程过于频 繁 这样 不但执行机构不能反应 而且计算机的利用率也大为降低 采样周期不能太 长 否则会使干扰无法及时消除 使调节品质下降 1 2 技术指标 设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下 1 电阻炉温度控制在 0 500 2 加热过程中恒温控制 误差为 2 3 LED 实时显示系统温度 用键盘输入温度 精度为 1 4 采用直接数字控制算法 要求误差小 平稳性好 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 3 2 方案的比较和确定 方案一 系统采用 8031 作为系统的微处理器 温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预 处理 放大 送到 A D 转换器 转换后的数字信号再送到 8031 内部进行判断或计算 从 而输出的控制信号来控制锅炉是否加热 但对于 8031 来说 其内部只有 128 个字节的 RAM 没有程序存储器 并且系统的程序很多 要完成键盘 显示等功能就必须对 8031 进行存储器扩展和 I O 口扩展 并且需要容量较大的程序存储器 外扩时占用的 I O 口较 多 使系统的设计复杂化 方案二 系统采用 89C51 作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能 8051 片 内除了 128KB 的 RAM 外 片内又集成了 4KB 的 ROM 作为程序存储器 是一个程序不 超过 4K 字节的小系统 系统程序较多时 只需要外扩一个容量较小的程序存储器 占用 的 I O 口减少 同时也为键盘 显示等功能的设计提供了硬件资源 简化了设计 降低了 成本 因此 89C51 可以完成设计要求 综上所述的二种方案 该设计选用方案二比较合适 3 控制算法 3 1 控制算法的确定 PID 调节是连续系统中技术最成熟的 应用最广泛的一种控制算方法 它结构灵活 不仅可以用常规的 PID 调节 而且可以根据系统的要求 采用各种 PID 的变型 如 PI PD 控制及改进的 PID 控制等 它具有许多特点 如不需要求出数学模型 控制效果 好等 特别是在微机控制系统中 对于时间常数比较大的被控制对象来说 数字 PID 完 全可以代替模拟 PID 调节器 应用更加灵活 使用性更强 所以该系统采用 PID 控制算 法 系统的结构框图如图 3 1 所示 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 4 图 3 1 系统结构框图 3 2 数学模型的建立 具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统 其数学模型可表示为 2 1 1 1 s Ke G s T s 在 PID 调节中 比例控制能迅速反应误差 从而减小误差 但比例控制不能消除稳 态误差 的加大 会引起系统的不稳定 积分控制的作用是 只要系统存在误差 积 p K 分控制作用就不断地积累 输出控制量以消除误差 因而 只要有足够的时间 积分控 制将能完全消除误差 积分作用太强会使系统超调加大 甚至使系统出现振荡 微分控 制可以使减小超调量 克服振荡 提高系统的稳定性 同时加快系统的动态响应速度 减小调整时间 从而改善系统的动态性能 将 P I D 三种调节规律结合在一起 可以 使系统既快速敏捷 又平稳准确 只要三者强度配合适当 便可获得满意的调节效果 模拟 PID 控制规律为 2 0 1 t pD I de t u tKe te t dtT Tdt 2 式中 称为偏差值 可作为温度调节器的输入信号 其中为给定 e tr ty t r t 值 为被测变量值 为比例系数 为积分时间常数 为微分时间常数 y t p K I T D T 为调节器的输出控制电压信号 u t 因为计算机只能处理数字信号 故上述数字方程式必须加以变换 设采样周期为 T 第次采样得到的输入偏差为 调节器的输出为 作如下近似 k e k u k 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 5 用差分代替微分 1 de te ke k dtT 用求和代替积分 0 1 k t i e t dtTe i 这样 式 2 2 便可改写为 2 1 1 1 k pD i I e ke k u kKe kTe iT TT 3 其中 为调节器第次输出值 分别为第次和第次采样时 u kk e k 1 e k k1k 刻的偏差值 由式可知 是全量值输出 每次的输出值都与执行机构的位置一一对 u k 应 所以称之为位置型 PID 算法 在这种位置型控制算法中 由于算式中存在累加项 而且输出的控制量不仅与本次偏差有关 还与过去历次采样偏差有关 使得产生大幅度 变化 这样会引起系统冲击 甚至造成事故 所以在实际中当执行机构需要的不是控制 量的绝对值 而是其增量时 可采用增量型 PID 算法 当控制系统中的执行器为步进电 机 电动调节阀 多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时 一般均采用增 量型 PID 控制算法 与位置算法相比 增量型 PID 算法有如下优点 1 位置型算式每次输出与整个过程状态字有关 计算式中要用到过去偏差的累加 值 容易产生较大的累积计算误差 而在增量型算式中由于消去了积分项 从而可消除 调节器的积分饱和 在精度不足时 计算误差对控制量的影响较小 容易取得较好的控 制效果 2 为实现手动 自动无忧切换 在切换瞬时 计算机的输出值应设置为原始阀门 开度 若采用增量型算法 其输出对应与阀门位置的变化部分 即算式中不出现 项 所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换 3 采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用 所以即使计算机发生故 障 执行器仍能保持在原位 不会对生产造成恶劣影响 正因为具有上述优点 在实际控制中 增量型算法要比位置算法应用更加广泛 利 用位置型 PID 控制算法 可得到增量型 PID 控制算法的递推形式为 2 1 2 1 2 pID u kKe ke kK e kKe ke ke k 4 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 6 式中 为比例增益 为积分系数 为微分系数 p K IpI KK T T DpD KK TT 为了编程方便 可将式 2 4 整理成如下形式 2 012 1 2 u kq e kq e kq e k 5 式中 0 1 D p I TT qK TT 1 12 D p T qK T 2 D p T qK T 4 系统软硬件设计 4 1 总体设计 系统的硬件包括微控制器部分 主机 温度检测 温度控制 人机对话 键盘 显示 报警 4 个主要部分 系统的结构框图如图 4 1 所示 系统程序采用模块化设计方法 程序有主程序 中断服务子程序和各功能模块程序 组成 各功能模块可直接调用 单片机 显示电路 按键控制 报警电路 光耦驱动电路可控硅控制器 温度传感器 电阻炉 A D转换器 图 4 1 系统结构框图 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 7 该部分电路主要包括 89C51 主程序的工作情况 主程序完成系统的初始化 温度预 置及其合法性检测 预置温度的显示及定时器 T0 的初始化设置等 T0 中断服务程序是温 度控制体系的主体 用于温度检测 主程序和中断服务子程序的流程图如图 4 2 所示 主程序如下 TEMP1 EQU 50H 当前检测温度 高位 TEMP2 EQU TEMQ1 1 当前检测温度 低位 ST1 EQU 52H 预置温度 高位 ST2 EQU 53H 预置温度 低位 T100 EQU 54H 温度 BCD 码显示缓冲区 百位 T10 EQU T100 1 温度 BCD 码显示缓冲区 十位 T EQU T100 2 温度 BCD 码显示缓冲区 个位 BT1 EQU 57H 温度二进制码显示缓冲区 高位 BT2 EQU BT1 1 温度二进制码显示缓冲区 低位 ADIN0 EQU 7FF8H ADC 0809 通道 IN0 的端口地址 TEMP1 DB 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 50H 58H 单元初始化 清零 ORG 0000H AJMP MAIN 转主程序 ORG 00BH AJMP PT0 转 T0 中断服务子程序 ORG 0030H MAIN MOV SP 59H 设堆栈标志 MOV TMOD 01H 定时器 0 初始化 方式 1 MOV TL0 0B0H 定时器 100ms 定时常数 MOV TH0 3CH MOV R7 150 置 15s 软计数器初值 SETB ET0 允许定时器 0 中断 SETB EA 开中断 SETB TRO 启动定时器 0 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 8 MAIN1 ACALL KIN 调键盘管理子程序 ACALL DISP 调用显示子程序 SJMP MAIN1 定时器 0 中断服务子程序 PT0 PT0 MOV TL0 0BOH MOV TH0 3CH 重置定时器 0 初值 DJNZ R7 BACK 15s 到否 不到返回 MOV R7 150 重置软计数器初值 ACALL TIN 温度检测 MOV BT1 TEMP1 当前温度送到显示缓冲区 MOV BT0 TEMP0 ACALL DISP 显示当前温度 BACK RETI 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 9 图 4 2 主程序和中断服务子程序的流程图 4 2 温度检测电路 温度检测电路包括温度传感器 变送器和 A D 转换三部分 传感器选用型号为 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 10 WZB 003 的铂热电阻 可满足本系统 0 500 测量范围的要求 变送器将电阻信号转换 成与温度成正比的电压 当温度在 0 500 时变送器输出 0 4 9v 左右的电压 A D 转换 可采用 ADC0809 进行 亦可采用单片机内部 A D 功能进行 电路设计好后调整变送器的 输出 使 0 500 的温度变化对应于 0 4 9v 的输出 则 A D 转换对应的数字量位 00H FAH 即 0 250 转换结果乘以 2 正好是温度值 用这种方法一方面可以减少标度变 换的工作量 另一方面还可以避免标度变换带来的计算误差 本设计 A D 转换采用查询方式 由 P1 4 查询 ADC0809 的 ECO 转换结束信号 为 提高采样的可靠性 对采样温度进行数字滤波 数字滤波的方法很多 这里采用 4 次采 样取平均值的方法 因此 4 次采样的数字量之和除以 2 就是检测的当前温度 温度检测 子程序流程图如图 4 3 所示 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 4与 R2 与 与 A D与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 8与 与 51H 与 8与 与 50H 与 与 与 与 与 与 R2与 1与 R2 R2 0 4与 与 与 与 与 与 与 2 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 Y N Y N 图 4 3 温度检测子程序流程图 4 3 温度控制电路 控制电路采用可控硅来实现 双向可控硅 SCR 和电路电阻丝串接在交流 220V 市电 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 11 回路中 单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端 由端口的高低电 平来控制可控硅的导通与断开 从而控制电阻丝的通电加热时间 将当前温度与预置温度比较 当前温度小于预置温度时 继电器闭合 接通电阻丝 加热 当前温度大于预置温度时 继电器断开 停止加热 当二者相等时电路保持原来 状态 当温度降低到比预置温度低 2 时 再重新启动加热 温度控制模块流程图见图 4 4 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 2与 N N Y Y 图 4 4 温度控制模块流程图 4 4 人机对话电路 4 4 1 键盘管理 为使系统简单紧凑 键盘只设置四个功能键 分别是 启动键 百位 十位 和 个位 由 P1 口低四位作为键盘接口 利用数字键可以分别对预置温度的百位 十 位和个位进行 0 500 的温度设置 程序设有预置温度合法检测报警 当预置温度超过 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 12 500 时会报警并且将温度设为 500 键盘管理子程序流程图如图 4 5 所示 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 P1 1 0与 P1 2 1与 P1 3 1与 P1 0 1与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 与 Y Y Y Y Y Y N N N N N N 图 4 5 键盘管理子程序流程图 4 4 2 数码显示 本系统设有 3 位 LED 数码显示器 用于显示电阻炉的设定温度和实际温度 采用串 行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路 显示子程序 DISP 如下 DISP ACALL HTB 调用将显示数据转换成 BCD 码的子程序 HTB MOV SCON 00H 置串行口为方式 0 MOV R2 03H 显示位数送 R2 MOV R0 T100 显示缓冲区首地址送 R0 LD MOV DPTR TAB 指向字符码表首地址 MOV A R0 取出显示数据 MOVC A A DPTR 查表 MOV SBUF A 字符码送串行口 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 13 WAIT JBC TI NEXT 发送结束转下一个数据并清除中断标志 SJMP WAIT 发送未完等待 NEXT INC R0 修改显示缓冲区指针 DJNZ R2 LD 判断 3 位显示完否 未完继续 RET TAB 字符码表 5 基 MATLAB 仿真被控对象 采用 simulink 仿真 通过 simulink 模块实现积分分离 PID 控制算示 设采样时间 Ts 10s 被控对象为 s e sG s 301 10 Simulink 仿真图如图 5 1 所示 图 5 1 Simulink 仿真图 选择合适的 Kp Ki Kd 是系统的仿真效果趋于理想状态 MATLAB 编写程序如下 clear all 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 14 close all ts 4 sys tf 1 30 1 inputdelay 10 dsys c2d sys ts zoh num den tfdata dsys v kp 13 ki 0 4 kd 0 2 MATLAB 仿真波形如图 5 2 所示 图 5 2 MATLAB 仿真波形 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 15 6 心得体会 课程设计是对我们在这学期学到的微型计算机控制技术这门课的理论知识的一个综 合测评 是对我们将理论结合时间的综合能力的考查 是培养我们发现问题 解决问题 的能力 是激发我们内在创新意识的途径 在此次课程设计中 我们学到了许多平时课 堂上学不到的东西 比如 单片机系统的开发与可行性分析 电炉的设计与制作 器件 的选型 程序的设计与调试 系统的调试以及平时没有接触到的在线编程与相关软件等 等 在设计过程中我遇到了许多难以解决的问题 通过去图书馆看书 上网查资料以及 请教同学 努力最终一步一步得以解决 通过这次课程设计 不仅锻炼了我的动手能力 更培养了我发现问题 解决问题的能力 巩固了我以前学过的专业知识 促进了我的自 学能力 通过本次设计 我还了解了微机控制中 DDC 算法的基本概念及其对系统设计的相关 应用 什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理 设计过程中的方案选择和 参数设定使我进一步深刻认识到算法的控制对整个系统的重要作用 一个细小的参数设 定出现偏差 可能导致最后的性能指标不和标准 所以选择一个优良的方案对于实验至 关重要 武汉理工大学 计算机控制技术 课程设计说明书 16 参考文献 1 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉 8051 单片机实践与应用 北京 清华大学出版社 2000 2 李建忠 单片机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社 2001 3 潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术 北京 高等教育出版社 2001