水浴恒温控制仪表论文

1、CPU部分CPU选用AT89S52，选用的依据有I/O接口能力；串行通信方式；微处理器是否包含系统正常运行所需的功能部件，如WDT、A/D等。鉴于目前大多数的微处理器内含有A/D或D/A部件均不能达到本设计的分辨率要求，故采用外扩方式。而且，串行接口方式的A/D或D/A在各种嵌入式系统中应用越来越普遍，也易得到，故系统选用串行方式。因此，微处理器选用ATMEL的AT89S52。2、A/D部分设计A/D通道的目的在于被测的模拟量数据转换为数字量以供处理和显示。由于显示刷新周期本身不高，通常为几十毫秒以上，因此对被测模拟量的采样和转换的速度要求不高，从串行传输和光电隔离两方面考虑，采用TLC1549实现对被测模拟量数据数字化，不失为一个好的途径。3、D/A部分从性能和价格两方面结合考虑，选择12位的D/A的转换芯片，考虑市场因素，最后选用DAC7513N，其特性可简述为（1）低功耗，上电输出为0；（2）工作电压范围宽27V55V；（3）建立时间为10S；（4）3线串行接口；（5）两种封装SOT238和MSOP8。4、键盘显示部分按键共有5个，分为两类第一类，状态设置按键，确认键，复用键（开启菜单键和小数点移位键），菜单键；第二类，增加、减少等数字设定键。并可以驱动8为LED数码管显示，所以本设计可以用HD7279A进行驱动。5、E2PROM存储器存储器选择了美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROMAT24C01，它的存储容量为256字节，工作电压宽（2555V），它的特点是擦写次数多大于10000次、写入速度快小于10MS。6、MAX232通信MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片。MAX232芯片内部都有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源电压变换成为RS232输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通讯系统只需单一的5V电源就可以了。对于没有12V的场合，其适应性更强。第2章PID控制及仿真21PID控制技术的理论分析211PID控制技术简介在模拟控制系统中是将被测参数，如温度、压力、流量等由传感器变换成统一的标准信号输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变输入量，以达到自动调节的目的。而在数字控制系统中，则是用数字调节器来代替模拟调节器1。可使对被控对象的调节速度和调整精度得到进一步提高。其调节过程是首先采集参数信号，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定的控制算法进行运算处理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制输入量以达到给定值。按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟最为广泛的一种调节器，它的结构简单，参数易于调整。特别在工业过程控制中由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，且往往不能得到预期的效果，所以常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定，随着计算机特别是微机技术的发展，PID数字控制算法己能用微机和单片机简单实现，由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。212PID控制算法的数字实现1、PID控制理论积分SKI/微分DS被控对象TESTUTY比例PRT图21连续时间PID控制系统在连续时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。连续时间PID控制系统如图21所示。图中，DS所示为控制器。在PID控制系统中，所有的PID控制规律均由DS完成，因而称之为PID控制器，其中，分别表示比例、积分和微分环PKS/ID节。PID控制器是一种线性控制器，输出量YT和给定量RT之间的误差是时间的函数2。（21）TYRTE由图21的比例，积分，微分的线性组合，构成控制量UT，这种控制方式具有上述三种控制方式，因而被称为比例、积分、微分控制，简称PID控制。在实际应用中，根据受控对象的特性和控制的性能要求，可以灵活地采用小同的控制组合，构成比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器或是比例积分微分（PID）控制器。比例控制能够迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制小能彻底消除稳态误差。随着比例放大系数的加大，系统会逐渐变得小稳定，因此需要进行积分控制。积分控制的作用是，当系统存在误差时，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差，只要有充分的时间，积分控制能够完全消除误差，从而消除稳态误差。但是积分作用太强会引起系统超调加大，甚至使系统出现振荡，此时又需要引入微分控制。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，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。应用PID控制，就是根据具体情况适当地调整比例放大系数，积分时间，和微分时间，使整个控制PKITDT系统达到满意的控制效果3。2、实用的PID控制方法在数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量，才能用计算机进行数据处理与存储。在数字计算机中，计算和处理积分和微分时，只能用数值计算去逼近。因此在数字计算机中PID控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程4。（22）KJDIPUKEKEEKKU001式中是控制量的基值，即稳态时PID控制器的输出值；UK是第采样时刻的控0制，为比例放大系数为积分放大系数，为微分放大系数，PKIISPIT/DK；为采样周期。该表达式称为位置式PID控制算法。由位置式PIDSDPT/控制算法推导出。（23）2KEQ1EKQU0其中，（24）SDIP0TK（25）SP12Q（26）SDP2TK公式（23）称为增量式PID控制算法，从该表达式已经看出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式（23）看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值EK、EK1、EK2即可当执行机构需要的是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式为（27）DTETTE1TKTUT0DIP式中，UT为调节器的输出信号；ET为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。其控制框图如图22。PKITDTTRPID控制对象TETUCT图22PID控制简化示意图由于计算机系统是一种采样控制系统，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，必须对其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。连续的时间离散化为（K0，1，2N）（28）KTT积分用累加和近似得（29）K0J0JT0ETED微分用一阶向后差分近似得（210）1KDT式中，为采样周期；EK为系统第次采样时刻的偏差值；EK1为系统第K1次采T样时刻的偏差值；K为采样信号，K0，1，2。将公式（29）和公式（210）代入公式（27），则可得离散的PID表达式。（211）1KETJEKEKUK0JDIP如果采样周期取的足够小，该式可以很好地逼近模拟PID算式，因而使被控过T程与连续控制过程十分接近。由于式表示的控制算法提供了执行机构的位置UT，即其输出值与阀门开度的位置一一对应，所以通常把式（411）称为位置式PID的控制算法。该式中，令（212）IPITK（213）TKDP可变为（214）1KEJEKEUDK0JIP此即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。当进行控制时，、PKI可以先分别求出并放在指定的内存单元中，则可实现公式（211）。DK由公式（211）可以看出，每次输出与过去所有状态有关，计算复杂，浪费内存。故要做如下变动（215）1K0JDIP2KE1TEEK1KU以上两公式相减并整理得（216）EAKEA210式中，（217）TKADIP0（218）21P1（219）TKADP2公式（216）就是PID位置式的递推形式，是编程的常用的形式之一。其程序框图见图（23）所示。取给定值、反馈值形式偏差取、作乘法1AKE取、作乘法2AKE作减2KEA1KEA作加12KEAKEKEA0作1120KUEAKEKEA输出KU数据传送送K1数据传送送、送1KE2KE1取、作乘法0AKE开始结束图23位置式PID控制算法程序框图213PID控制参数的整定PID控制器参数整定，是指在控制器规律已经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。下面介绍PID参数整定的方法。1、经验法经验法是PID调节器三个参数、整定的一种方法，也是工程上经常PKID使用的一种方法。所谓经验法实际上是一种凑试法。它是通过模拟运行观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID的调节参数。增大比例系数，一般将加快PK系统的响应，有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，减弱稳定性。增大有利于减小超调，使系统稳定，但系统静差的消除将减慢。IT增大有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制DT能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，知道得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线己属满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。如果仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求，则需加入积分。首先置积分常数为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小，IT然后减小积分常数，使系统在保持良好的动态性能的情况下，消除静差。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直至得到满意的结果。若使用比例积分器能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分。在整定时，先置微分常数为零，在第二步整定的基础上，增大，同DTDT时相应的改变和，逐步凑试，以获得满意的调节结果和参数5。PKIT2、临界比例度法临界比例度法是一种非常著名的PID控制器参数整定方法，曾在工程上得到广泛的应用。该法不依赖于对象的数学模型参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由经验公式得到PID控制器的最优整定参数。它用来确定被控对象的动态特性的参数有两个临界增益和临界振荡周期。UKUT临界比例度法是在闭环的情况下，将PID控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益重做实验，相反如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小。PKPK实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益，就被P称为临界增益，记为；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为。临UUT界比例度法就是利用和由经验公式求出PID控制器的参数整定值。表21所示KT就是ZN临界比例度法参数整定经验公式。表21临界比例法参数整定经验公式PID控制器参数PKITDTPID型控制器06U05U0125U22温控系统PID控制的调节过程根据温度变化的要求，可将其分为三段来进行控制自由升温段、保温段和自然降温段。为避免过热，从室温到80额定温度为自由升温段，在20额定温度时为保温段。输入的电功率为,0时电功率最小,1时为全功率。在自由升温段中，ICIC希望升温越快越好，将加热功率全开足，因此得自由升温段控制方程当温度T80时（表示温度设定值，选1；当T80时，已较接近需要保温的值，0T0I0T0T为此采用保温段控制方程6。在保温控制过程中，如果采用比例控制，由于电热丝所加功率的变化和加热管内温度的变化之间存在一段时间延迟，因此当以温差来控制输出时（即比例控制），系统只有在温度与给定值（保温温度）相等时才停止输出。这时由于加热管内温度变化的延迟性质，加热管内温度并不因输入停止而马上停止上升，从而超过给定值。滞后时间越大，超过给定值也越大。温度上升到一定程度后，才开始下降，并继续下降到小于给定值时，系统才重新输出。同样，由于温度变化滞后于输出，它将继续下降，从而造成温度的上下波动，即所谓振荡。考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即PD（比例微分）调节。有了PD调节，系统输出不仅取决于温差的大小，还取决于温差的变化速率。当温度从自由升温段进入保温段时，加热管内温度还小于给定值，但温差变化较大（由于温差及温差的变化对系统输出都有影响，而在升温过程中，这两项对输出的作用是相反的），因而系统可提前减少或停止输出，使加热管内温度不至于出现过大的超调。同样，在降温过程中也是如此，这样就改善了加热管内温度调节的动态品质。积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分作用，则可在不影响动态性能情况下提高温度控制的精度。所以保温段控制还应加入积分环节即采用PID控制方法。自然降温段的控制方程为0。IC23温控系统PID控制的其他几种优良措施1、积分分离PID控制当系统启、停或大幅度提、降给定值时，短时间内的大偏差在积分控制作用下可使过渡过程出现大的超调和振荡。过大的超调会对系统产生不利的影响，可运用计算机逻辑判断的功能，使偏差EK大时积分不起作用，直至EK减小到一定值时，才将积分作用投入7。这就是所谓积分分离PID控制或PDPID选择控制。设积分分离值为EI，则控制算法可表达为（1）IEK当（220）KUKUDIP（2）IEK当KKDP（221）PID控制与PDPID选择控制比较，后者由于积分迟投入作用，开始时过渡过程较慢，但由于没有积分引起的超调和振荡，使整个过渡过程还是进行得较快且平稳。2、变增益PID控制针对受控对象具有的非线性特点，可通过改变PID控制的增益来进行补偿。通常使PID控制器的增益随偏差E变化，令FE代入（24）式中，可以得到变PKPK增益PID控制算式（222）K1I1KETDEIEKFU函数FE既可以用数学表达式给出，也可以用数据表格形式给出。在用程序实现变增益PID控制时，可把FEK看成一个与为1的基本PID控制器相串联的环节PK8。24计算机仿真利用MATLAB软件环境可以实现计算机仿真，MATLAB语言是一种更为抽象的高级计算机语言，既有与C语言等同的一面，又更为接近人的抽象思维。便于学习和编程。同时它具有很好的开放性，用户可以根据自己的需求，利用MATLAB提供的基本工具，灵活的编制和开发自己的程序，开创新的应用。SIMULINK是MATLAB环境下的数字仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种速率的多速率系统仿真。SIMULINK提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点。SIMULINK还提供了封装和模块化工具，尤其适用于复杂、多层次、高非线性的系统仿真。它简化了设计过程，减轻了设计负担。提高了仿真的集成化和可视化程度。在MATLAB工作空间中键入命令SIMULINK模块库。由于温度一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象的传递函数可表示为（223）SFCETKSG1式中为被控对象的放大系数；为被控对象的时间常数；为纯滞后时间。FKF取；。1F3TF由MATLAB可得该PID控制的仿真结构图如图24所示9。图24PID控制仿真结构图由于该PID控制只调整一个参数，取不同的值，可得到一系列的阶跃响PKP应结果。（1）当，时，阶跃响应结果如图25所示。061PK23I705D（2）当，时，阶跃响应结果如图26所示。81（3）当，时，阶跃响应结果如图27所示。PIK由三图是只调节时，而和只是与成比例关系的计算值，输入进行仿IDP真的图形，从图形显示结果可知，只调节这一参数时波形趋于稳定。所以上面提到的PID算法是可行的，并且，该方法对这种一阶的带滞后的对象的控制不失为一种好的方法。图25阶跃响应曲线1图26阶跃响应曲线2图27阶跃响应曲线325本章小结本章主要介绍PID的调节原理和算法及参数整定方法，并应用MATLAB仿真软件确定PID参数。第3章系统的硬件设计现代的控制仪表正趋于智能化，结构简单但功能强大使用方便的智能仪表是发展的趋势。因此控制仪表的设计应朝着通用型、智能型、良好的人机界面的方向发展。本章就是按照这个方向展开的。本设计的硬件框图如图31所示。温度采集电路A/D转换器单片机键盘显示电路D/A转换输出故障报警电路继电器控制存储器铂电阻PT100MAX232串行通讯图31数字化调节器硬件电路框图31热电阻输入通道的设计铂电阻以其性能稳定、重复性好、精度高在工业用温度传感器中得到的广泛的应用。工业铂电阻测温范围为200850，铂电阻阻值与温度之间的关系可近似用下式表示（1）在0850,21BTAROT（31）（2）在2000，1012TCTOT（32）式中，分别为铂电阻在0和T的电阻值。、分别为三个常数（ORTABC/,/,/）。31098A3175B31084C本设计采用的热电阻是PT100，并且采用三线制接法消除引线电阻的影响将温度信号转换为电阻信号，并通过一定的电路设计就可以将温度信号转换为电压信号。下面主要是具体设计方法。311基于TL431稳压芯片的稳压电路的实现TL431，A、B集成电路是三端可编程并联稳压二极管。这些单片集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从编程至36伏。这REFV些器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗022时为10MA至100MA。这些基准的特性使它能在数字电压表、电源和运放等许多应用中代替齐纳二极管。25伏参考使从50伏逻辑电源可方便地获得稳压参考电压。由于TL431，A、B工作方式为并联稳压器，所以可以用作正压或负压参考。TL431接线图如32所示。351KU7TL4C0P图32TL431接线图312铂电阻PT100测温原理热电阻PT100在3090范围内的分度见表3110。由表31可见，其温度变化与阻值变化不是绝对线性，因此，对测温时温度补偿和信号采集的稳定性的要求是非常高的。因此，热电阻的接线必须考虑这些方面的影响。本设计采用恒流源供电的方法。表31PT100分度表012345678903088228783874387048664862585858546850684678427209216917791379093905990198988948901886288221096099569953949194529412937393349295925592160100100391007810117101561019510234102731031210351103910103910429104681050710546105851062410663107021074107792010779108181087510896109351097311012110511109111281116730111671120611245112831132211361114991143811477115151155440115541159311631116711708117471178511824118621190111945011941197812016120551209312132121712209122471228612324601232412362124011243912477125161255412592126311266912707701270712745127841282212861289812937129751301313051130898013089131271316613204132421328133181335613394134321347901347135081354613584136221366136981373613774138121385313恒流源电路的设计恒流源的设计是热电阻输入通道的关键，它要求在热电阻在0850温度范围变化内阻值的变化不会引起恒流源电流的变化，由电子学的知识，如果恒流源的内阻为无穷大，则负载变化不会引起电流的变化。由PT100构成信号的获取电路常用的方法有2种，一种是构成的十分常见的电桥电路，当然，在本系统中，考虑成本的问题，一般采用单臂桥；还有一种是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。上述两种电路的结构形式见下图34所示11。R13UOPT05V出ISA单臂桥式B恒流源式图34两种信号获取电路的结构根据测试技术的有关知识，图A的输出与电阻的阻值不是个正比的关系，因而数据处理起来特别麻烦，尤其是用单片机来处理这些非线性的问题。而图B的由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用恒流源电路来获取温度信号。恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，本系统是采用TL431为核心来构成的，根据以往的运用经验，恒流效果十分理想，系统设计的恒流源电路见下图35所示。15K2V0UF3TL4出图35由TL431构成的恒流源电路314铂电阻测温电路的设计本设计所应用的温度采集电路是由PT100构成的双恒流源测温电路，电路如图35所示。CR79M6UB8ADPTQ_SOGN图36由PT100构成的双恒流源测温电路由图36可见铂电阻PT100采用三线制接法，双恒流源分别接到PT100和R16一端，当温度是0时，PT100的对应阻值为100与R16阻值相等，PT100两端电压和R16两端电压相互抵消，即测温电路输出为0V；当PT100的阻值随着温度的变化而增长时，PT100两端电压增大，减去R16两端电压后输出的电压就对应着PT100的阻值对应温度的变。，输出的电压在经过U1A的放大，放大倍数为R14的阻值比上R7的阻值即放大39倍，U1B为跟随放大器，在经R17和R18分压即为本测温电路的输出电压，在接到A/D的输入端。32A/D转换接口电路设计在智能仪表中，对一般的模拟信号处理为能被计算机所接受的数字信号，无外乎以下两种方式，要么A/D转换，要么V/F转换，对于在工业上对现场的信号需要远距离传送的信号，我们经常采用频率信号传输，由于我们己经对现场的信号采用了恒流源电路来获取温度信号，并经在CPU板一起的仪用放大器进行放大，因此，用最常用的A/D转换作为我们模拟信号变换成数字信号的基本思路。321TLC1549的简介TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选CS低电平有效，输入/输出时钟I/O的CLOCK，数据输出DATAOUT。TLC1549引脚排列如图37所示。TLC1549能以串行方式送给单片机，由于TLC1549采用CMOS工艺，内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为1LSB48MV，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。REF1AIN23GD4CS5OUT6LK7V89图37TLC1549引脚图322TLC1549工作原理在芯片选择（CS）无效情况下，I/O的CLOCK最初被禁止且DATAOUT处于高阻状态。当串行接口把CS拉至有效时，转换时序开始允许I/O的CLOCK工作并使DATAOUT脱离高阻状态。串行接口然后把I/O的CLOCK序列提供给I/O的CLOCK并从DATAOUT接收前次转换结果。I/O的CLOCK从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O时钟提供采样模拟输入的控制时序。CLOCKDATAOUTCS1234567891000001A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0B9采样周期BMSBLSBA/D变化时间间隔