基于单片机的温度控制系统的软件设计

0/47基于单片机的温度控制系统的软件设计摘要随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度控制系统的设计与研究有十分重要的意义。本系统的设计以AT89C51单片机为基础，结合温度传感变送器、A/D转换器、LED显示器、固态继电器等，组成一个基于AT89C51单片机的温度控制系统。在此系统中，通过键盘设定给定温度值，同时送LED显示。温度传感变送器获得温度的感应电压，转变成15V的标准电压信号，再由A/D转换器转换成数字信号送入单片机内部，同时将采样回来的温度值送LED显示。单片机将给定的温度与测量温度的相比较后，进行史密斯预估补偿运算和PID运算后，得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用模拟的PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间，达到控制的温度的目的，使实际的输出温度跟随设定温度。本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的软件设计，简要的介绍了硬件电路及相关的接口电路的设计。并且充分考虑了系统的可靠性,采取了相应的措施予以保证。针对控制对象的特点,在MATLABE的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究,并在单片机系统中实现了控制算法。最后用PROTEUS软件对温度控制系统进行与硬件电路的联调仿真,通过对仿真结论的分析表明本文所述的基于单片机的温度控制系统的设计的合理性和有效性。关键词AT89C51单片机，纯滞后，史密斯预估器THESOFTWAREDESIGNOFTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTALONGWITHTHEPRESENTINFORMATIONTECHNOLOGYSSWIFTDEVELOPMENT,THETEMPERATURE1/47SURVEYCONTROLSYSTEMINTHEINDUSTRY,AGRICULTURALANDINPEOPLESDAILYLIFEISPLAYINGAMOREANDMOREIMPORTANTROLE,ITHASTHEVERYTREMENDOUSINFLUENCETOPEOPLESLIFE,THEREFORETEMPERATURECONTROLSYSTEMSDESIGNANDTHERESEARCHHAVETHEVERYVITALSIGNIFICANCETHISSYSTEMSDESIGNTAKEAT89C51MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITASTHEFOUNDATION,THEUNIONTEMPERATURESENSINGTRANSMITTINGINSTRUMENT,A/DSWITCH,THELEDMONITOR,THESOLIDSTATERELAYANDSOON,COMPOSESONEBASEDONAT89C51MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTEMPERATURECONTROLSYSTEMINTHISSYSTEM,ASSIGNSTHETEMPERATUREVALUETHROUGHTHEKEYBOARDHYPOTHESIS,SIMULTANEOUSLYDELIVERSTHELEDDEMONSTRATIONTHETEMPERATURESENSINGTRANSMITTINGINSTRUMENTOBTAINSTHETEMPERATURETHEINDUCEDTENSION,TRANSFORMS15VTHESTANDARDVOLTAGESIGNAL,TRANSFORMSTHEDIGITALSIGNALBYA/DSWITCHTOSENDINAGAINTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUIT,SIMULTANEOUSLYTHETEMPERATUREVALUEWHICHCOMESBACKTHESAMPLINGDELIVERSTHELEDDEMONSTRATIONTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITWILLASSIGNAFTERTHETEMPERATUREANDTHESURVEYTEMPERATURECOMPARE,CARRIESONSMITHTOESTIMATEAFTERCOMPENSATIONOPERATIONANDPIDOPERATION,OBTAINSTHECONTROLQUANTITYTHEACTUATORHOLDSTHEPOSTBYTHETURNONFREQUENCYHIGHSOLIDSTATERELAYSWITCH,USESTHESIMULATIONTHEPWMCONTROLMETHOD,THECHANGEIDENTICALCYCLENEUTRONSWITCHSCLOSINGTIME,ACHIEVESTHECONTROLTHETEMPERATUREGOAL,CAUSESTHEACTUALOUTPUTTEMPERATUREFOLLOWEDHYPOTHESISTEMPERATURETHISARTICLEELABORATEDINDETAILBASEDONMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTEMPERATURECONTROLSYSTEMSSOFTWAREDESIGN,BRIEFINTRODUCTIONHARDWARECIRCUITANDRELATEDINTERFACECIRCUITSDESIGNANDHADCONSIDEREDFULLYSYSTEMSRELIABILITY,TOOKTHECORRESPONDINGMEASURETOGUARANTEEINVIEWOFCONTROLLEDMEMBERSCHARACTERISTIC,THECONTROLALGORITHMHASCONDUCTEDTHESIMULATIONRESEARCHINTHEMATLABEFOUNDATIONTOTHESYSTEM,ANDHASREALIZEDTHECONTROLALGORITHMINTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSYSTEMFINALLYUSESTHEPROTEUSSOFTWARETOCARRYONTOTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMWITHHARDWARECIRCUITSJOINTINGSHAKEDOWNTESTINGSIMULATION,THROUGHTOTHESIMULATIONCONCLUSIONSANALYSISINDICATEDTHISARTICLESTATESBASEDONMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSTEMPERATURECONTROLSYSTEMSDESIGNRATIONALITYANDVALIDITYKEYWORDSAT89C51SINGLECHIP,PUREHYSTERESIS,SMITHPREDICTOR2/47目录前言3第一章绪论411本设计的目的与意义412国内外研究现状413课题的主要研究内容及指标5第二章温度控制系统的总体方案设计621设计的任务622设计的总体方案6221设计要求6222系统结构的设计7223总体设计方案7第3章温度控制系统的控制器设计831控制对象的数学模型832系统的稳定性分析933史密斯（SMITH）预估控制1034PID调节器的设计12341PID概述12342PID增量式的实现12333PID调节器参数对系统性能的影响14344温度控制系统中PID调节器参数选定1535纯滞后对象的控制算法大林算法1636带SMITH预估器PID数字控制器1837温度控制系统的MATLAB/SIMULINK仿真20第4章温度控制系统的硬件电路的设计22第5章温度控制系统的软件设计2351软件设计的说明2352程序流程图2653软件清单29致谢463/47前言温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。如在钢铁冶炼过程中要对出炉的钢铁进行热处理，才能达到所要求的性能指标，塑料的定型过程中也要保持一定的温度。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便、结构简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高工业生产中产品的质量和数量。因此，单机机对温度的控制在工业生产中是经常会遇到的。本次设计的温度控制系统属于单片机控制大惯性环节的典型应用，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果作出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。在单片机控制系统中，控制规律是通过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可。4/47第一章绪论11本设计的目的与意义在科研、生产以及教学实验过程中常需对温度进行检测和监控。例如,在生物检测中,对显微镜下的载波片需要放置在可调温的恒温板上,并且对于温度的准确度和稳定性均有较高的要求。采用单片机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高测量效果等都有重要的作用。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单，精度高，控制效果好等特点，对提高生产效率，促进科技进步等方面具有重要的现实意义温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。由于电子技术的发展，提出了改进的电路,采用主回路无触点控制,克服继电器接触不良的缺点,且维修方便,大多采用以5L单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为系统采用单闭环形式，其基本控制原理为将温度设定值即输入控制量和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。由于温度控制系统存在大延时、纯滞后特性，被控对象的这种特性常引起系统产生超调和震荡，使系统的稳定性降低。本设计采用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿，以此消除系统的超调和震荡，使系统稳定。文中给出了控制系统的数学模型，确定系统控制方案和控制系统的硬件电路框图。通过了MATLAB/SIMULINK的仿真结果验证了数字控制器实际的正确性，通过了PROTEUS验证了系统的硬件设计的正确性，本设计可直接应用于工业控制中。12国内外研究现状近年来快速发展的PID温控，模糊控制以及神经网络和遗传算法在温控系统中得到广泛的应用。在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中,温度控制是较普遍且较关键的控制系统,它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性采用常规的PID控制器,一般很难实现对其快速有效地精确控制。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控5/47制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。近年来快速发展的PID温控，模糊控制以及神经网络和遗传算法在温控系统中得到广泛的应用。在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中,温度控制是较普遍且较关键的控制系统,它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性采用常规的PID控制器,一般很难实现对其快速有效地精确控制随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。中国在温度控制方面的研究很多，如下面的几个方面都有很突出的研究成果促进远红外线波长暨温度控制器、具有多种动作温度特性的温度控制器、防爆型温度压力自动控制器、双传感和动型压力式温度控制器、一种以记忆合金为感温元件的调温器、复合式温控开关。美国在温度控制系统方面的研究有采用再热的比对性温度和湿度控制器、用于半导体热处理器的基于模型的温度控制器、预定温度系数加热器的电子控制器、自校准温度控制器等几个方面。英国在对液体加热容器的温度控制器的改进方面也做出了很大的贡献。印度在较为热门的多点温度控制系统方面做了很大的研究工作。下面简要介绍几种温度控制器。复合式温控开关，是一种用于控制温度的电器开关。它是利用双金属片受热时变形来控制发热件开关在某一预定温度时的通或断、使发热件发热。经过一段预定的时间，发热件使控制主开关的双金属片动作而使主开关断开。达到控制温度的目的。基于神经网络的模糊控制系统，针对反应槽容量大,滞后量大、变化因素多及温度控制要求比较高的特点,结合模糊控制和神经网络的优点,把模糊控制的控制规则转化为神经网络的一组输入、输出样本,这样,把这些规则隐含分布在整个网络之中。实际运行结果表明,该系统温度控制精度高,运行稳定,取得了令人满意的控制效果。多点温度控制系统C系列多点温度控制系统包括电源主通讯模块、2路温度控制单元等。与温度控制系统相连的神港（SHINKO）触摸屏无需编程，通过简单操作可设置温度控制参数、温度报警、加热器断线报警等等。用主连单元的多点连接，可组成最多16个单元（320点）的多点温度控制系统。13课题的主要研究内容及指标本课题主要是对现有的温度控制器进行分析研究，确定系统的整体方案，通过对硬件电路的设计和软件的编写来实现系统的基本功能。主要工作包括以下几部分内容6/471、控制对象的特性分析；2、控制系统总体方案设计；3、史密斯预估器的设计；4、控制系统的MATLAB仿真；5、单片机主程序设计；6、单片机硬件仿真；7、控制系统联调（PROTEUS）仿真；温度控制系统的主要技术指标1温控精度5；2温度稳定度005；3温控范围（工作面温度减环境温度）0800。第二章温度控制系统的总体方案设计21设计的任务本设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两端的电压，输出为电加热炉内的温度。控温范围为0510，要求实时显示当前温度值、控制精度5，所采用的温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于01000的温度检测范围。通过温度变送器将传感器的采样信号转换成05V的标准信号，送至AD转换器AD1674。由于温度控制系统存在大延时、纯滞后特性，被控对象的这种特性常引起系统产生超调和震荡，降低系统的稳定性或降低系统的反馈性能，在自动控制理论中，用常规的控制方法是难以达到系统的稳定性的，因此要对系统进行纯滞后补偿，消除系统的超调和震荡，使系统稳定，运用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿即在系统中加入SMITH预估器；温度控制采用PID控制算法，为实现高精度控制的要求，采用PWM方式的电源控制，通过控制大功率电力电子器件IGBT的导通和关断时间实现对给定电压的控制，从而保持设定的温度基本不变，；采用LED静态显示温度值，方便人工监视；用键盘输入温度给定值。22设计的总体方案221设计要求工业淬火炉对温度控制精度要求较高，对每个温度阶段的时间温度值有严格的要求，用常规的方法控制难以达到满意的控制效果，为达到高精度控制的要求，用单片机实7/47现对炉温的实时控制，每个炉的温度控制精度5，温度保持时间由温度时间曲线所示。222系统结构的设计控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。图21开环系统结构框图开环系统的优点是系统结构简单，容易调试。但是当工作环境和系统本身的元部件性能参数发生变化时，开环系统的被控量会受到较大影响，即抗干扰能力差。一般说，高精度的开环控制系统要求所有的元部件都有较高的精度和很稳定的性能。即开环控制对环境和元件的要求都比较严格。图22闭环系统结构框图闭环控制系统输出信号不仅受到输入信号的控制，而且还受到与输出信号成比例的反馈信号的控制。系统框图如图24所示。闭环控制系统本身能检测出被控量的设定值与真实值之差，实际上是用偏差量去减小和消除偏差，所以抗干扰能力强。闭环控制系统可以明显减弱某些元件参数和控制对象本身的参数变化对被控量的不利影响，所以对这些部件要求不是很严格。因而本系统采用闭环控制系统。223总体设计方案系统温度控制的原理是加热炉的温度范围为0510，通过热电偶检测得到毫伏信号，经过温度变送器放大并做线性化处理后，温度信号转换成0100MA电流信号再经过电流电压（IV）变化，变成05V的标准电压信号，送到AD转换器的输入通道，经过AD转换后，将数字信号送入单片机进行数字PID运算，通过软件编程实现对电源的PWM方式控制，通过控制大功率电力电子器件IGBT的导通与关断时间实现对给定电压的控制，从而保持设定的温度基本不变，达到自动控制炉温的目的，采用LED静态显示温度值，方控制器执行元件控制对象测量元件输入信号控制变量被控量输出信号控制器执行元件控制对象控制变量被控量输出信号输入信号8/47便人工监视，用键盘输入温度设定值。温度变送器加热炉电热丝热电偶I/V变换A/D单片机PWMIGBT显示键盘电源图23系统总体结构框图第3章温度控制系统的控制器设计31控制对象的数学模型为了实现对电阻炉的温度控制，首先要求出电炉的数学模型。在此对大功率电力电子器件IGBT加一个阶跃电压信号，并令其导通，测量电炉的温度变化情况，则可得到电炉的响应曲线，阶跃响应曲线在T0时斜率为零，随后斜率逐渐的增大，到达某点后斜率又逐渐的减小，如图31所示。9/47TKCT图31控制对象的单位阶跃响应从响应曲线可得到电炉是纯延时一阶惯性环节，S形曲线用延时时间和时间常数T来描述，通过S型曲线的转折点做切线，使之分别与时间坐标轴和CTK的直线相交，有所得的两个交点确定延滞时间和时间常数T。对象传递函数可近似为GSETSKS1（31）公式中K放大系数，惯性时间，延时时间由实验与作图法可知式（31）中10,K10,T20,即电阻炉的传递函数为GSESS101201032系统的稳定性分析滞后控制系统的结构框图如下所示图32滞后系统的框图如图32所示系统的特征方程为1G1SES0即1/20S1ES在没有滞后因子时，系统产生持续等副震荡的条件是G1JW1由上式可知，非滞后系统的临界稳定点是（1，J0），而具有滞后因子的系统，其临界稳定状态不是一个点，而是一条临界轨线EJW。把G1JW和EJW的乃式图同时画在图中如下图33所示，并设这两条曲线的交点为A。根据G1JW1的条件，求出G1JW曲线上对应的角频率W0497；而在EJW曲线上对应的W090711。因为点A即在G1JW曲线上，又在EJW曲线上，所以它们应用相同的角频率，即有0497090711于是求得182ETSG1S10/47A图33由图33可知，当大于182S时，在单位圆上的临界点就被G1JW曲线包围，系统为不稳定。当小于182S时，G1JW曲线不包围临界点，对应的系统是稳定的。而本系统的等于10S，故本系统部稳定。因此常规的调解器D（S）很难使闭环系统获得满意的控制性能。系统带有纯滞后环节会导致系统对控制指令的反应不及时，甚至导致系统不稳定。纯滞后系统采用常规的反馈控制方法（常规PID控制、微分先行控制及中间微分反馈控制等）往往难以取得显著效果。本设计是温度控制系统，存在大延时、纯滞后特性。被控对象的这种纯滞后特性常引起系统产生超调或震荡，使系统的稳定性降低。因此要对系统进行纯滞后补偿，消除系统的超调和震荡，使系统稳定。这里我们运用史密斯预估器对系统进行纯滞后补偿。33史密斯（SMITH）预估控制在工业生产过程（如化工、炼油、冶金、玻璃等）控制中，广泛地存在着纯滞后现象，由于纯滞后的存在，使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，从而产生明显的的超调，降低了系统的稳定性，延长了调节时间。当滞后时间比较小时，可以采用PID控制，当纯滞后时间比较大时，常规的PID控制很难得到较好的控制效果。人们针对纯滞后的被控对象，提出了各种各样的控制方法，SMITH预估器就是一种广泛应用的纯滞后系统的控制方法。1957年SMITH提出了一种针对纯滞后被控对象的预估方法，该方法的基本思想是给控制器并联一个补偿环节，对纯滞后补偿环节进行补偿，力图把纯滞后环节移到闭环回路之外，从而消除滞后特性所造成的影响，减少超调量，提高系统的稳定性，加速调节过程，提高系统的快速性。用SMITH预估器补偿后的控制系统如图32所示11/47图33图中D（S）是调节器的传递函数，GPSES是被控对象的传递函数，GPS是被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，ES是被控对象纯滞后部分的传递函数，与D（S）并联的环节就是补偿环节，其传递函数为GPS（1ES），用来补偿对象的纯滞后部分，称为SMITH预估器。由SMITH预估器和调节器DS组成的补偿回来称为纯滞后补偿器，其传递函数为/11SGUSDSESDSSDGE式35补偿后系统的闭环传递函数为SGSD1SGSDSG1SGSD1SD1SG1SGSD1SDSGSDG1SGSDGSRSYSGCEEEEEEESSSSSSS式36从上式可以看出，经SMITH预估器补偿后，纯滞后环节被移到闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。纯滞后环节只起ES到延迟的作用，把控制系统作用在时间坐标轴上推迟了时间，而对系统的过渡过程以及其他性能指标没有任何作用，消除了纯滞后部分对控制系统的影响。另外，由拉氏变换的平移定理得知，系统在单位阶跃输入时，输出量的形状和其他性能指标与对象特性G（S）不包含纯滞后特性ES时完全相同，只是在时间轴上滞后了时间。12/4734PID调节器的设计341PID概述目前主要的控制方法有比例积分控制（PROPORTIONALINTEGRALDIFFERENTIALCONTROL）、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。已经应用在温控领域的有PID控制、模糊控制、自适应控制以及PID控制与模糊控制和自适应控制相结合的一些方法，如FUZZYPID控制、ADAPTIVEPID控制、模糊自适应PID控制等。图34基本PID控制系统原理图PID控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，PID控制是最早展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。342PID增量式的实现PID调节即比例（PROPORTIONAL）、积分（INTEGRAL）、微分（DERIVATIVE）调节是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节控制方式。在模拟控制系统中，PID算法的表达式为DTTDETTET1TEKTUT0DIP式37上式中，UT调节器的输出信号；ET偏差信号（给定量与输出量之差）；KP调节器的比例系数；比例被控对象微分积分RTCTUTET13/47TI调节器的积分时间常数；TD调节器的微分时间常数。在计算机控制系统中，为实现数字控制，必须对算式318进行离散化处理。用数字形式的差分方程替代微分方程。设系统的采样周期为T，在TIT时刻进行采样，令ETEK式38T0K0JK0JJETTJEDTTE式39T1KEKEDTTDE式310其中上述式中T为采样周期；EK为系统第K次采样时刻的偏差值；EK1为系统第K1次采样时刻的偏差值；K为采样序号，K0,1,2将上面三式代入式（318），则有K0JDIP1KEKETTJETTKEKKU式（311）式（45）称为位置式PID控制算式。倘若要按照此式计算UI，则必须计算积分项（第二项）。这样不仅计算麻烦，而且为保存历次的偏差值还要占有很多的内存单元。因此，用位置式PID控制算法进行控制很不方便。为此，需做进一步处理。由递推原理，UI1的表达式为1K0JDIP2EK1EKTTEJTT1EKK1UK式（312）式（324）称为增量式PID控制算式。式中的UK为在第K1次输出的基础上，输出的增加（或减少）量。这种增量式PID控制算法在生产实际中比位置式控制算法更为常用。式经简化后可演变为2111UKKPKEKEKEKEKEKEKEKKDI式313PUK1112KIDEKEKEKEKEKEKEKKK14/47式中KPK,TTKKIPI（称为积分系数）,TTKKDPD（称为微分系数）。通过上述推导，似乎PID控制算法的程序设计并不复杂，只要将给定值与每次所得到的温度检测值相减，得到偏差E（K）,在与上次偏差EK1设初始值为0相减，得到E（K）EK1，又通过上次偏差EK1与前次偏差EK2（初始值也设为0）相减,得到EK1EK2根据式（48）可知，有了E（K），E（K）EK1，EK1EK2及KP、KI、KD三个常数，通过计算可得到U（K），然而，事实上，运算并非那么简单，这是由于E（K），E（K）EK1，EK1EK2均可能为正或负这给计算机带来很大的麻烦，通常上述算法需由浮点运算处理，方可得到相应的输出结果。由于一般初学者对浮点运算不甚熟悉，因此，本文给读者介绍一种不用浮点运算实现上述算法的程序，以提供一种独特的解题思路。333PID调节器参数对系统性能的影响PID调节器参数对系统性能的影响（1）比例控制KP对系统性能的影响A对动态性能的影响比例控制KP加大，使系统的动作灵敏、速度加快；KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的动作缓慢。B对稳定特性的影响加大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但加大KP只能减小误差，却不能完全消除误差。（2）积分控制TI对控制性能的影响A对动态特性的影响积分控制TI通常使系统的稳定性下降，TI太小，系统将不稳定；TI偏小，震荡次数较多；TI太大，对系统性能的影响减小。当TI合适时，过度过程比较理想。B对稳态性能的影响积分控制TI能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但IT太大，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。（3）微分控制TD对控制性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量的减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，15/47使稳态误差减小，提高控制精度。当TD偏大时，超调量较大，调节时间长；当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程344温度控制系统中PID调节器参数选定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本系统采用实验法来设计PID控制器，齐格勒（ZIEGLEER）和尼克尔森NICHOLS基于大量的实验，提出了调整PID参数的两种规则。当系统引入PID控制器后，由于系统的开环部分增加了一个积分环节，即校正后系统的类型增加了一阶，从而显著地改善了系统的稳态性能。由于PID控制器可以产生较大的相位超前角，因而使系统的超调量减少，瞬态相应的速度变快。齐格勒（ZIEGLER）尼克尔森NICHOLS整定方法是通过给定对象的瞬态响应特性来确定PID控制器的调节参数。齐格勒（ZIEGLER）尼克尔森NICHOLS整定方法法首先通过实验，获取控制对象单位阶跃响应，如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S曲线，则此法可用，否则不能用。可根据下表来确定KP，TI和TD的值表31控制器的类型KPTITDPT0PI09T30L0PID12T2L05L（2）PID参数的确定16/47由于被控对象的传递函数为SKGS1TSE。式（329）本设计10S,T20S，G（S）12010SES10式（330）按工程设计使用的PID参数调整的经验方式，可根据下表的公式就可以确定PID的三个参数。调节器中PID的三个参数选定如下42102021KT12KP2010222TI5105050TDPII2401220KKTDPD24512KKT35纯滞后对象的控制算法大林算法在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。对于这样的系统，往往允许系统存在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期内结束。也就是说，超调是主要的设计指标。对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。针对这一要求，IBM公司的大林DAHLIN在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的控制效果。被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数为式（316）其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化,其为采样周期的整数倍，即N为正整数。大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即17/47，其中由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是式317于是脉冲传递函数为式318DZ可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面对一阶纯滞后环节进行讨论。当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（31）的传递函数可知，其脉冲传递函数为将此式代入式318可知式31918/47式中T采样周期；被控对象的时间常数；闭环系统的时间常数而在本课题中，取采样周期为5S,而系统的时间常数取20S根据以上分析我们可以计算出控制器D（Z）11304150323100820918ZDZZZ式（320）在计算机控制系统中,在计算的D（Z）时已经把采样与保持环节考虑在内，故有计算机控制系统的结构框图如下所示机控制系统的结构框图如下所示图35系统的计算机控制框图36带SMITH预估器PID数字控制器在图33中，如果选用数字PID控制器，再加上采样开关，就构成了带SMITH预估器的PID数字控制系统，其结构图如图34所示PIDGPSGPSCTEKYT图36带SMITH预估器的PID数字控制系统图中SMITH预估器的输出为CK，数字PID控制器的输入为ECK。SMITH预估器的控制规律为CSGPS1ESUS式321RTETECTUK11304150323100820918ZZZ12010SES10RTCT19/47把上式离散化，得到SMITH预估器的输出形式为CKMKMK式322当NT时CKMKMKN式323当NT时，ES用级数展开为ES1S式324代入算式（416）得CSGPS1ESUSGPSUS式325把上式离散化，同样可得SMITH预估器的输出CK。许多工业对象可近似看作带有纯滞后的一阶惯性环节，传递函数表示为GSESGPSES式（326）计算机实现的纯滞后补偿控制系统如图所示U（K）GP（S）ESMKMKNCK图37SMITH预估器方框图为了由计算机实现纯滞后补偿，对SD离散化，即111ESTSEKZSHSDZZDSTS）（111111ZCZBZL式中C1EITT09、11ETKBIT05、LT，取整数、T为采样周期。有了纯滞后补偿器的Z传递函数，便可以得到差分方程在计算机上实现。ZDZMZCZUZMZL1ZCZB11111为了便于实现，令ZLZMZC1（327）20/47ZCZBZUZM11111（328）由式（327）与式（328）可以得到纯滞后补偿器的差分方程M（K）C1M（K1）B1UK095M（K1）05UKC（K）M（K）M（KN）在程序中，可以用下列方法得到MKN再内存中专门设置L个单元存放MK的历史数据，每采样一次，把MK存于低零号单元前，先把第0号单元的数据后移到1号单元，同时1号单元内的数据到2号单元，依次类推，这样从L单元得到MKN。本系统采样周期T为1S，为10，故N10，M（K）095M（K1）05UKC（K）M（K）M（K10）当NT时，SMITH预估器的输出为CK式329当NT时，ES用级数展开为CK式330数字PID控制器的输入信号为ECKEKCK式331用ECK、ECK1、ECK2分别代替EK、EK1、EK2，就可得到带SMITH预估器的PID控制算式。37温度控制系统的MATLAB/SIMULINK仿真SIMULINK仿真环境是美国MATHWORKS软件公司专门为MATLAB设计提供的结构图编程与系统仿真的专用软件工具，该仿真环境下的用户程序其外观就是控制系统的结构图，操作就是根据结构图作系统仿真。利用SIMULINK提供的输入信号（信号源模块）对结构图所描述的系统施加激励，利用SIMULINK提供的输出装置（输出口模块）获得系统的输出响应，即数据或时间响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真。SIMULINK不仅提供了各种标准的结构图模块库，提供了开放的结构图模块设计方法，便于用户设计自己的专用模块，还提供了几种系统文件的设计方法，使得系统仿真工作更加方便灵活。受控对象所构造的数学模型是基于某些假设条件，忽略了一些非必要因素，使用了简21/47化的数学方法而构造出来的。控制系统的仿真方法简单、方便、灵活、多样；仿真实验的成本低，通常在实验室就可以完成；仿真结果充分，可以得到有关系统设计的大量的、充分的曲线与数据。本设计的仿真如下离散系统的仿真的方框图如下图38用示波器观察其输出波形如下图39由离散系统的输出波形可知，带有SMITH预估补偿的PID控制能够有效的控制系统。使输出很快得到稳态值，系统的超调大大减少，稳态误差近似为0模拟系统的方框图如下所示图310加有预估器的输出波形22/47图311未加预估器的输出波形图312从上述图形可以看出，系统由于穿在滞后，从而纯在很大的震荡，当在系统中加入预估补偿环节后，就不在有滞后，同时系统还可以克服外加干扰对系统系能的影响。第4章温度控制系统的硬件电路的设计PROTEUS软件介绍伴随着计算机技术的迅猛发展虚拟仿真实验室应运而生，将计算机仿真技术引入电子线路课程设计教学之中，是对传统实践教学和电子电路设计的重大突破。先在计算机上进行虚拟设计、仿真，然后将结果应用到实际电路之中，既降低了设计成本，又缩短了整个设计的周期，从而提高了效率。作为传统实验的重要补充，虚拟实验丰富了实践性教学的手段，有利于现代实验教学观念的更新。例如，对于嵌入式系统开发的爱好者而言，往往23/47没有足够的资金购买昂贵的开发板来进行开发，这时可以选择通过软件仿真来学习嵌入式系统开发。PROTEUS是目前最好的能够虚拟嵌入式系统开发中常用的处理器和外围器件的EDA工具。另外，仿真技术在电子线路课程设计中的应用提高了学生综合分析电路的能力和开发设计的能力，为今后更高层次的设计和实践打下基础。SPICE内核的使用使您能采用数目众多的供应厂商提供的SPICE模型,目前该软件包包含有约6500个模型。PROTEUSVSM包含大量的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号波型发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计。此外仿真器能通过色点来显示每个管脚的状况，这点在单步调试I/O码时绝对非常有用。硬件电路的设计中具体部分电路的设计不在一一叙述。系统的总体硬件电路的设计整个系统包括，键盘，显示，AD采样，PWM产生等几个大部分组成。在下页图中，左边四位数码管为键盘设定的温度显示值，右四位数码管为AD采样的电阻炉实际温度显示值，经过单片机将两者之间的偏差进行PID运算，并经过数据处理由P37口产生PWM的波形，通过控制PWM的占空比达到控制温度的目的。系统的总体硬件电路在PROTEUS下的原理图如下图所示FILENAMEBYDATEPAGEWXP89DSN2009/5/2CUSERSDELLDESKTOP仿真WXP89DSNPATH1OF1REVTIME145649DESIGNTITLECUSERSDELLDESKTOP仿真WXP89DSN0123456789Y0D0D1D2D3D4D5D6D7Y1D0D1D2D3D4D5D6D7Y2D0D1D2D3D4D5D6D7Y3D0D1D2D3D4D5D6D7Y4D0D1D2D3D4D5D6D7Y5D0D1D2D3D4D5D6D7Y6D0D1D2D3D4D5D6D7Y7D0D1D2D3D4D5D6D7AD4AD3AD2AD1AD0AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD5AD7AD6Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7D4D5D6D7IN0D0D1D2D3D4D5D6D7IN0D03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U1674LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U674LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U774LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U874LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U974LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U1074LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U1174LS2735VD03D14D27D38D413D514D617D718CLK11MR1Q02Q15Q26Q39Q412Q515Q616Q719U1274LS2735VVCCXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P07/AD732P101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C51X112MHZC130PFC230PFC310UFR11K012348596CLR7ENTERVCCR210KR310KR410KR510KOUT121ADDB24ADDA25ADDC23VREF12VREF16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22U2ADC0808A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U474LS13812456U3A74LS21A02A14A26A38OE1Y018Y116Y214Y312U574LS244U2CLOCKABCDR1A1K65412U13OPTOCOUPLERNPN5VQ12N3904RL15VHEATERTOV1OVENV1220VACVCC5VR610K12U14A7407图41系统的总体设计图第5章温度控制系统的软件设计51软件设计的说明电阻炉温度控制室一个反馈调节过程首先比较实际炉温和给定炉温得到偏差；然后对偏差进行控制算法处理，得到一个输出量；最后用输出量调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制。通过对偏差的比例、积分和微分运算而产生控制信号（称PID调节器），24/47是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。系统的控制过程分为定时采样。使用T0定时器产生5S定时中断，作为本系统的采用周期。在中断服务程序中启动A/D转换，读入采样数据。数据处理。对采样数据进行数字滤波，上下限限幅处理等。PID计算。对偏差进行PID算法处理，并输出控制脉冲信号，脉冲宽度由T0定时器中断决定。键盘。用外部中断INT0来控制键盘。当有键按下时，产生中断，然后CPU去处理中断程序，找到键码，输入设定温度，另外送显示。显示。显示用8位的七段码显示器来显示。用静态的显示器，注意每位的地址。主程序完成T0与INT0的初始化，温度采样，温度显示，PID计算等。数字滤波子程序3次采样值CN1、CN2、CN3分别存在于2CH、2DH、2EH单元，取中间值CN存放在2AH单元，以备PID运算和温度标度转换用。温度标度变换子程序控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作人员所熟悉的物理量。这是因为被测对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值不一样。被测对象的参数经传感器和A/D转换后得到一系列的数码。这些数码值并不等于原来带有量纲的参数值，仅仅对应于参数的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值才能显示或打印输出。这种转换就是标度转换。线性标度变换的公式YYMAXYMINXNMIN/NMAXNMINYMIN式中Y为参数测量值YMAX为测量范围最大值YMIN为测量范围最小值NMAX为YMAX对应的A/D转换值NMIN为YMIN对应的A/D转换值X为测量值Y对应的A/D转换值本系统中，YMIN0，YMAX800，NMIN0，NMAX255，则YX00X0A1XA0其中A1314,A