基于PID算法的烤烟房温湿度控制系统设计 - 图文-

1、辽 宁 工 业 大 学计算机控制技术 课程设计(论文题目: 基于PID算法的烤烟房温湿度控制系统设计 院(系: 电气工程学院 课程设计(论文任务及评语院(系:电气工程学院 教研室:自动化教研室 注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算课程设计(论文题目基于PID 算法的烤烟房温湿度控制系统设计 课程设计(论文任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能烤烟炉的温度影响烤烟的质量,本设计采用单片机作为控制器,设计相应的输入输出通道,采用常规的PID 算法,对烤烟炉的温湿度加以控制,能达到期望的质量标准。 两位LED 动态显示温湿度值。 设计任务及要求 1、确定系统

2、设计方案,包括单片机的选择,输入输出通道,键盘显示电路; 2、建立被控对象的数学模型; 3、设计PID 算法的程序流程图,给出程序清单; 4、仿真研究,验证设计结果;5、撰写、打印设计说明书一份;设计说明书应在4000字以上。技术参数温度070;湿度小于2%RH进度计划1、 布置任务,查阅资料,确定系统方案(1天2、 系统功能分析(1天3、 系统建模(1天4、 算法推导,程序设计(2天5、 仿真分析与研究(2天6、 撰写、打印设计说明书(2天7、 答辩(1天 指导教师评语及成绩平时: 论文质量: 答辩: 总成绩: 指导教师签字: 年 月 日 摘要我国是烟叶生产大国,年平均产量占全世界的三分之一

3、。中国所产烟叶以烤烟最为主要,占总产量的93%,我国目前每年的烟叶种植面积为二千多万亩,有烤烟房几百万座。为保质量地抓好烟叶种植、生产,除烟种、土壤、水利、防虫防害外,烤烟是非常关键的环节。俗话说,种烟容易烤烟难,烤烟技术一直困扰着广大烟民。介绍了基于PID控制算法,单片机89C51的烤烟房温湿度设计,整个系统由数据采集、数据调理、单片机和控制部分组成。引入了温度传感器AD590和湿度传感器HS1101在烤烟方面的运用,采用该系统准确地检测烤烟房内的温湿度数据,PID控制算法有效地控制烤烟房内的温湿度,提高了烤烟房内的控制水平和烟叶的烘烤质量,从而增加了烟农的收入。关键词:烤烟房;温湿度;PI

4、D算法;单片机 目录第1章 绪论 (1第2章 课程设计的方案 (22.1概述 (22.2系统组成总体结构 (3第3章 主要器件及硬件电路设计 (43.1单片机 (43.2温度传感器AD590 (43.3湿度传感器HS1101 (53.4步进电机驱动电路 (63.5键盘电路设计 (63.6LED显示电路 (7第4章 软件设计 (94.1主程序设计 (94.2控制算法程序 (104.3系统设计要求 (114.4系统控制算法原理及实现思想 (11第5章 系统测试与分析 (13第6章 课程设计总结 (14参考文献 (15 第1章绪论目前烟草行业在世界各国的经济中都占有非常重要的地位,其税收是各国政府财

5、政收入的重要来源之一。提高烟叶质量的主要途径除了烟叶品种优良化,就是烘烤的科学化。而在烤烟过程中,最重要的是控制烤烟房的温度和湿度,烘烤过程当中的温度会直接影响烟草的质量。文中将会介绍一套基于89C51的PID算法的温湿度控制系统。其能够明显提高烟草的烘烤质量,减轻烟农劳动强度,并且还能够实现自动实时检测与控制,产生显著的经济效益和社会效益。烟叶四段式烘烤工艺分为变黄期、凋零期、定色干叶期、干筋期这四个阶段,每个阶段又包含若干个升温子阶段、恒温子阶段、恒湿子阶段。四段式烘烤工艺流程如图1.1所示。 图1.1 烟叶烤制各个阶段温度示意图烟叶烤制过程中,其热源为燃煤锅炉。锅炉燃烧产生的热空气通过空

6、气热交换器管道及烟道排出。烤房由通风机实现强迫风循环,并从空气热交换器获得热量使风温升高,从而使烤烟房温度升高并得以保持。温湿度传感器测量干球温度和湿球温度。温度控制主要通过风门电机控制,风门主要作用为补充新风。由于生烟叶含有大量水分,在烘烤过程中会蒸发至空气中,使烤烟房内湿度增大,为此,通过补充外部干燥空气降低湿度。温度控制主要通过控制鼓风机的进风量来控制锅炉燃烧程度,而加煤电机则控制进煤量。 第2章课程设计的方案2.1 概述烟叶烘烤是烤烟生产中决定品质和产量高低的关键环节,为了生产出高品质的烟草,要求烘烤房的温度范围在070,湿度小于2%RH。目前我国烤烟生产在烘烤过程中的供热排湿主要依靠

7、操作人员的烘烤经验,认为通过火力、天窗、地洞开启的大小和气流上升(下降的自然速度控制烤烟房的温湿度,但存在着操作误差大、反应不灵敏、预期结果滞后不足。因此改变过去烘烤中温度、湿度的人工控制,准确地控制烟叶烘烤过程,达到烤烟全过程的只能监控是十分必要的。该系统是一种基于PID的烟叶烤房控制系统,提高了烟叶烘烤过程的准确性,解决操作误差大等不足。如图2.1烤烟房结构图。 图2.1 烤烟房结构图 2.2 系统组成总体结构烤烟房控制系统主要由4部分组成:微处理器、温湿度检测电路、控制输出电路。其结构如图2.2所示。由温湿度传感器检测烤烟房棚内问世度传送至微处理器,处理器根据实际温湿度与设定温湿度比较,

8、经PID 预算得到相应的输出量,由步进电机A 控制控火门的开度,来控制温度;由步进电机B 控制风门的开度,来控制湿度。烤烟房的温湿度分别以数字的方式显示在液晶屏上,以便工作人员了解温度、湿度值。图2.2 烤烟房控制系统电路采用了单片机89C51为最小系统,温度检测采用了电流输出型单片集成两端感温传感器AD590,湿度检测采用的是侧面接触封装的电容是集成温度传感器HS1101。控制电路采用电机驱动电路,驱动步进电机来控制控火门及风门的开度,达到温度与湿度的调节。另外采用了LED 显示电路显示温度湿度,键盘电路控制系统的运行停止等。LED 显示电路棚内温度传感器 微 处 理 器棚内湿度传感器 键盘

9、电路驱 动 电 路步进电机A步进电机B 控火门风门 第3章主要器件及硬件电路设计3.1 单片机通过比较,选用MCS-51的89C51来构成系统。该芯片是由北京集成电路设计中心推出的8位CMOS单片机,具有4KB的EEPROM,使用高密度、非易失存储技术制造。另外还具有256KB片内RAM,3个定时计数器,6个中断源,无需进行系统扩展可满足任务要求,能较大幅度提高系统的性价比。该芯片的最大特点就是片内的4KB程序存储器可在线用编程器。 图3.1 单片机89C51最小系统3.2 温度传感器AD590对于烤烟房内部温度的检测,系统采用美国模拟器件公司生产的电流输出型单片集成两端感温传感器AD590,

10、该传感器利用PN结构正向电流与温度的关系制成,测温范围为55+150。AD590温度传感器具有良好的线性和互换性,不但实现了温度转换为线性化电量测量,而且具有消除电源波动的特性、精确度高、互换性好、应用简单方便。因此,可把输出的电信号经A/D卡转换为数字信 号,有计算机采集vi-t的数据,以发挥其实时和准确的特点。另外,该器件价格比较低廉,也完全能满足烟叶烘烤各个阶段的需要。 图3.2 温度传感器AD5903.3 湿度传感器HS1101烤烟房内部湿度的检测,系统采用的是侧面接触封装的电容是集成温度传感器HS1101。其测试湿度范围是0%RH100%RH,电容量有162pF变到200pF,其误差

11、不大于±2%RH,响应时间小于5s,温度系数为0.04pF/。可见精度是较高的。HS1101电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测的空气湿度的增大而增大。该器件具有不需要校准的完全互换性、高度可靠性、长期稳定性、快速响应和专利设计的固态聚合物结构,适用于线性电压输出和频率输出两种电路。 图3.3 湿度传感器HS1101 3.4 步进电机驱动电路温度控制主要通过步进电机调节控火门和风门的开度实现,该系统选用了常州宝来公司的4相步进电机,并使用步进电机驱动器ULN2003A,连接电路如图2.3所示。ULN2003A是集成林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极

12、管,可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压为50V、电流为500mA、输入电压为5V,适用于TTL、CMOS电路等由达林顿管组成的驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA,饱和压降V_CE约为1V,而集电极与发射极的最高反向耐压V_(CEO(BR约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出,输出电流大,故可直接驱动继电器或固体继电器,也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003A时,上拉2k的电阻较为合适,同时,COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003A是一个非门电路,包含7个单元,但每个单元驱动电流最大可达350mA。下面有

13、引用电路图,9引脚可以悬空。比如1脚输入,16脚输出,负载可以接在VCC与16脚间,不用9脚。 图3.4 步进电机驱动电路3.5键盘电路设计键盘电路设计包括S1温湿度选择,温度增加S2和温度减小S3。如图3.6所示。 图3.5键盘电路设计3.6 LED显示电路LED的驱动采用集电极开路输出8为驱动器8717。并采用动态显示、软件译码的工作方式。显示电路如图3.7所示。 图3.5 LED显示电路设计 第4章 软件设计4.1 主程序设计主程序设计总体采用循环结构,主要包含以下几个模块:系统初始化、中断模块、键盘模块、数据采样、模糊PID 算法模块和控制量输出模块。系统初始化主要完成单片机初始化、L

14、ED 显示初始化和系统外设检测等;键盘模块主要完成键盘扫描、系统设置和工艺设置等;中断模块指定时器中断,中断程序设置主要输入输出量标志,如温度湿度检测、步进电机控制、循环风机控制等,被设置的标志在主循环中调用子程序执行。主程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程执行机构输出结束报警烘烤完成?开 始系统初始化键盘扫描子程序数据采样及显示PID 运算是否 4.2 控制算法程序(1获取系统初始PID 参数 (2运用模糊控制理论调节PID 参数 (3通过PID 算式计算控制量输出采用继电整定方法获取系统初始PID 参数,通过试验和专家经验获得模糊控制表,同时采用积分分离算法避免了积分饱和问题。如

15、图所示PID 算法流程图。图4.2 PID 算法程序流程PID 运算计算当前 、 、限幅输出控制值u(kPID 入口取采样当前值计算e (k , ( e (k , ( 模糊化查表得 、 、u (k 1=u (k ,e (k 1=e(k返回 控制模糊PID算法流程图如图4.2所示。e(k、e(k1分别为当前误差和上次采样样误差e(k=r(ky(k, ( =e(ke(k1,其中y(k是当前温度采样值,r(k为当前温度设定值, (k为当前误差变化率,u(k是此次PID运算结果, 、 、 分别为修正后的PID控制比例、积分和微分系数。4.3系统设计要求主设计要求:能检测并显示烟叶烤房内的温度和湿度,烤

16、烟房内温度控制在070,湿度要求小于2%RH;系统具有专家工艺储存功能,控制科根据专家曲线自动运行,也可以人工设定运行;系统能根据温湿度控制要求只能启停循环风机和风门;采用单片机控制器,设计相应的输入输出通道,采用模糊PID算法,两位LED动态显示温湿度值。系统稳定,能适应较大程度的电网电压波动,操作简便,易于使用。4.4系统控制算法原理及实现思想由于烤烟房是典型的大延迟,非线性系统,一般的PID控制不能达到温湿度控制要求,该系统采用了模糊控制与PID形结合的模糊PID控制算法,该算法是一种在常规PID调节器及其继电整定的基础上,应用模糊集合理论,根据控制偏差e和偏差变化率 ,在线自动整定比例

17、系数K P、积分系数K I和微分系数K D(PID的复合控制器,其结构如图4.3。 图4.3 模糊PID控制器结构该控制器由基本PID控制器、继电器环节和校正PID参数的模糊控制器3部分组成。PID控制器完成控制算法,计算出输出控制量;继电环节实现PID控制本科生课程设计（论文） 第5章 系统测试与分析 Simulink 模型的建立图 5.1 图 5.1 Simulink 模型 子系统如图 5-2 图 5.2 子系统 Simulink 模型 得到仿真结果 图 5.3 仿真结果 13 本科生课程设计（论文） 第6章 课程设计总结 该系统基于 PID 控制算法， 单片机 89C51 的烤烟房温湿度微型计算机系统软 硬件设计，整个系统由数据采集、数据调理、单片机和控制部分组成。引入了温 度传感器 AD590 和湿度传感器 HS1101 在烤烟方面的运用，采用该系统准确地检 测烤烟房内的温湿度数据。该系统具有自适应只能控制能力，解决了普通控制算 法在烤烟房温湿度控制中的缺陷，提高了烟叶烤房温湿度的控制精度。显示屏的 使用，是的工作人员对整个烘