基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文（已处理）

1、基于单片机的电加热炉温度控制毕业设计论文 基于单片机的电加热炉温度控制摘要 电加热炉随着科学技术的开展和工业生产水平的提高,已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用,并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的数字模型,因此用传统的控制理论和方法很难到达好的控制效果。 单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点,在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制,可以提高控制质量和自动化水平。 本设计为基于单片机的电加热炉温度控制系统,通过采用硬

2、件与软件的结合实现对电加热炉温度的自动控制。硬件电路主要包括:加热及控制电路局部,数据采集和模/数(A/D)转换处理局部,键盘和显示器局部,单片机与各局部的接口处理局部。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成,其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值,而后对偏差值的处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率,以实现对炉温的控制。其中控制电路局部利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电该系统具有硬件本钱低,控温精度高,可靠性好,抗干扰能力强等特点。 关键词:电加热炉;单片机;温度控制;双向可控硅。目录摘要1第1章 绪论41.1课题的提出41.2系统设计目的及要求41.3课题的分析

3、与设计思路5第2章 温度控制系统的概述72.1微机控制系统简介72.2电加热炉温度控制系统的特性72.3电加热自动控制原理8第3章 系统电路分析硬件93.1温度检测电路93.2电源设计电路93.3 RS232/485转换电路103.4 PWM式键盘接口电路123.5可控硅调功电路13第4章 芯片介绍154.1单片机AT89C51介绍154.2 MC14499芯片介绍154.3 197芯片164.4 74HC4060芯片17第5章 系统控制算法仿真185.1飞升曲线185.2 PID算法仿真19第6章 MCGS组态236.1MCGS?的整体结构236.2 MCGS软件的功能和特点236.3 MC

4、GS组态过程24第7章 系统的程序设计267.1系统主程序267.2系统中断效劳程序367.3系统PID子程序37第8章 附录418.1参考资料418.2大林仿真程序418.3系统程序428.4硬件设计总图44第9章 总结45第1章 绪论 近年来随着计算机在社会各领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时也带动了传统控制检测的更新与开展。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及具体应用对象特点的软件结合,以作完善。单片机控制系统由微机和工业生产对象两大局部组成。 随着新技术的不断开发与应用,近来单片机

5、开展十分迅速,其应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。尤其在工业控制、自动化仪器仪表、计算机系统接口、智能化外设等领域开展很快。它的应用对于产品升级换代、机电一体化都具有重要意义。在工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中,温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反响炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、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,从而能够大大的提高产品的质量和数量。 本设计的目的是通过本课题设计,懂得综合运用单片机及

6、接口技术、微机原理、微电子技术和锻炼动手操作能力,掌握运用能力,学习论文的写作方法和步骤。掌握电加热炉温度控制系统的组成及原理,掌握各局部的功能及作用,了解单片机的开展前景。 本设计的温度系统有以下要求: 1测温范围 :0-100 3测温准确度:±1 4测温点数:可以扩展到8点 5温度显示:采用4个7段段数码管 6温限那么进行灵活设定 分析硬件电路主要包括:加热及控制电路局部,数据采集和模/数(A/D)转换处理局部,键盘和显示器局部,单片机与各局部的接口处理局部。软件设计主要由温度控制的算法和温度控制程序组成。 温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反响过程都与温度密

7、切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。本设计是以AT89C51单片机为系统的控制核心,实现对温度的采集、检测和控制。被控制对象为一电加热炉,输入为加在电炉两端的电压,输出为电加热炉内的温度。本系统是对在0100范围内的电炉温度进行精密测量。整个系统也可划分为控制电路局部、加热电路局部和测量电路三局部。控制电路是由单片机来处理给定信号和反响信号,发出相应的指令来控制可控硅,是系统的核心。AT89C51对温度的控制是通过可控硅调功能电路实现的。在给定的周期T内,AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率,从而到达调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控

8、制。该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生,受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲,可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中,另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。 加热电路用来实现对系统的升温加热到达预定的温度。当温度没有到达要求,控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。 测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理。主要由温度检测和变送器组成。温度检测元件和变送器的类型选择和被控温度及精度等

9、级有关。 除上述电路,AT89C51还要有MC14499?74HC4060?RS232-RS485?和197等芯片接口电路。其中MC14499用于LED显示器接口,74HC4060用于键盘接口,RS232-RS485作为串行通信口,197为温度测量电路的输入接口,用于把连续变化的信号进行离散化。最终再通过控制电路中的键盘显示器电路实现人机对话功能。系统结构框图如图1.1所示:图1.1 系统结构框图 软件设计主要为控制器局部,即温度控制系统,采用PID算法,其原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值,而后对偏差值进行处理而获得控制信号去调节加热炉的加热功率,以实现对炉温的控制。PID根本可满足系统

10、要求。程序设计是本次设计的核心局部。整个程序包括管理程序和控制程序两局部。管理程序是对显示LED进行动态刷新,控制指示灯,处理键盘的扫描和响应,进行掉电保护,执行中断效劳程序等。控制程序是用来对被控进行采样,数据处理,根据控制算法进行计算和输出等。第2章 温度控制系统的概述 微机是微型处理机、微型计算机、微型计算机系统的统称。 微处理机,简称CPU,是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件,包括数据通道、多个存放器、控制逻辑和运算逻辑部件等,是完成计算机对信息的处理与控制等功能的中央处理器件。 微型计算机,简称MC,是以微处理机(CPU)为中心,加上只读存储器(RO

11、M)、读写存储器(RAM)、输入/输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。 微机控制系统是将采集到的各工作设备的工作状况显示要素转换成计算机能接受的数据信息,通过预置的程序处理对其状态的性质与变化程度作出分析与判断,并对相关工作设备发出指令,维持或调整工作状态。在这一系统中,微机是工作核心,是大脑,对工作设备的有效控制起着至关重要的作用。就微机控制系统而言,一般可按如下步骤进行设计:确定系统整体控制方案、确定控制算法、选用微型计算机、系统总体设计和软件设计等。 单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出局部、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成,如图1所示。被控制对

12、象具有典型的多阶容积迟后特性,在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后;由于被控对象电容量大,通常采用可控硅作调节器的执行器。其特性为,电加热炉的温度调节是通过调节剂供电能源的断续作用,改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值,Tb/Tk。调节加热炉的温度,在工业上是通过在设定周期范围内,将电路接通几个周波,然后断开几个周波,改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例,来调节负载两端交流平均电压即负载功率,这就是通常所说的调功器或周波控制器;调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的,所以负载上得到的是完整的正弦波,调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。假设周期Tc内导通的周期的波数为n,每个

13、周波的周期为T,那么调功器的输出功率为Pn×T×Pn/Tc,Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。炉温信号那么通过温度检测及变送,变成电信号,与温度设定值进行比拟,计算温度偏差和温度的变化率 以AT89C51单片机为系统的控制核心,实现对温度的采集、检测和控制。被控制对象为一电加热炉,输入为加在电炉两端的电压,输出为电加热炉内的温度。本系统是对在0100范围内的电炉温度进行精密测量。AT89C51通过可控硅调功能电路实现对温度的控制。在给定的周期T内,AT89C51只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率,从而到达调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可

14、控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由AT89C51用软件在P1.3引脚上产生,受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50HZ交流电压过零时刻的脉冲,可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中,另一方面还作为计数脉冲加到AT89C51的T0和T1端。 加热电路用来实现对系统的升温加热到达预定的温度。当温度没有到达要求,控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。 系统控制程序采用两重中断嵌套方式设计。首先使T0计数器产生定时中断,作为本系统的采样周期。在中断效劳程序中启动A/D,读入采样数

15、据,进行数字滤波、上下限报警处理,PID计算,然后输出控制脉冲信号。脉冲宽度由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时,将本次采样值转换成对应的温度值放入显示缓冲区,然后调用显示子程序。从T1中断返回后,再从T0中断返回主程序并且、继续显示本次采样温度,等待下次T0中断。 1二位式调节-它只有开、关两种状态,当炉温低于限给定值时执行器全开;当炉温高于给定值时执行器全闭。(执行器一般选用接触器)。 2)三位式调节-它有上下限两个给定值,当炉温低于下限给定值时招待器全开;当炉温在上、下限给定值之间时执行器局部开启;当炉温超过上限给定值时执行器全闭。(如管状加热器为加热元件时,可采用三位式调节实现加

16、热与保温功率的不同)。 3)比例调节(P调节)-调节器的输出信号(M)和偏差输入(e)成比例。即:Mke 式中:K-比例系数 。比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在-对应的比例关系,因此炉温变化经比例调节到达平衡时,炉温不能加复到给定值时的偏差-称“静差。 4)比例积分(PI)调节-为了“静差,在比例调节中添加积分(I)调节积分,调节是指调节器的输出信号与偏差存在随时间的增长而增强,直到偏差消除才无输出信号,故能消除“静差比例调节和积分调节的组合称为比例积分调节。 5 比例积分微分(PID)调节-比例积分调节会使调节过程增长,温度的波动幅值增大,为此再引入微分(D)调节。微分调节是指调节

17、器的输出与偏差对时间的微分成比例,微分调节器在温度有变化“苗头时就有调节信号输出,变化速度越快、输出信号越强,故能加快调节速度,降低温度波动幅度,比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节。(一般采用晶闸管调节器为执行器)。 根据生产现场的运行情况,这种控温方法,精度比拟高,系统性能稳定,满足生产的实际需要。主要设备:热电偶或热电阻,智能PID温控仪,可控硅触发调功器等。 第3章 系统电路分析硬件2。式中二次项系数为负,当温度升高时,Rt电阻值随着增加稍而有下垂,呈现出非线性关系,必须进行非线性补偿,如图3.1温度检测电路以及Pt100的非线性校正。 图3.1 非线性校正电路 其中

18、非线性校正由运放和两个100K、两个500K电阻组成,这是温度检测变换电路的第一级,经过3号通道的100K.,500K两个电阻构成负反响回路,2号通道的100K,500K两个电阻构成正反响回路,为了维持电路的平衡,运放的正负反响回路皆会产生电流,负反响回路产生对地的电流。选取适宜的电阻值可以将Pt100的非线性误差降到0.5%,(0500),由于电阻炉为定温控制,在控温点进行精心地电路调整和测量校正,可以使温度到达很高的精度。 本设计所采用的电源如图3.2所示,此电源共有四个电源,两个正电源+12V,+5V和两个负电源-12V,-5V。分别由W7800正压单片稳压器,W7900负压稳压器,10

19、0uH的电感,滤波电桥,整流电解电容,发光二极管(作用是降低集成稳压电路的输入电压和防止总线断电时,电容所储存的电荷向总线释放)及发光二极管的限流电阻组成电源电路。F用以滤除输出端的高频信号,改善电路的暂态响应。3.3 RS232/485转换电路RS-232目前是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。其被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+515V,负电平在-5-15V电平。正无数据传输时,线上为TTL,从开始

20、传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电压在+3+12V与-3-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大约为15米,最高速率为20Kbps。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为3K7K。因此RS-232很适合于本地设备之间的连接。 而RS485那么采用差分信号负逻辑。它采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。RS485串行总线通信距离能够到达几千米再加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,因此传输信号即使

21、在千米以外也能够得到恢复。其采用的是半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。再次应用RS-485 可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器,用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。 ?由于PC机默认的只带有RS232接口,有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路:(1)通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号,对于情况比拟复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。(2)通过PCI多串口卡,可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。 目前,大局部PC机的通信端口为9芯D型插

22、头,在实际使用PC机进行串行通信时,通常只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口,以构成简易的四线通信线路。笔者采用这种方案巧妙地利用光电耦合器的隔离特性和RS232工作时RTS线与TXD线之间的电平关系,给出了简单、可靠的电路设计。具体转换电路如图3.3所示。该电路使用了三片光电耦合器TLP521-1进行隔离,这使PC机与SN75LBC184之间完全没有了电的联系,从而提高了工作的可靠性。 当RS232的RTS端为逻辑电平1-12V时,光电耦合器的发光二极管不发光,光敏三极管不导通,输出端为TTL逻辑电平1(+5V),此时选中RS485的DE端允许RS485接收,这样,RS232的

23、TXD端就可以发送数据(工作逻辑与RTS端相似)。当RS232的RTS端为逻辑电平0(+12V)时,光电耦合器的发光二极管发光,光敏三极管导通,输出端为TTL逻辑电平00V,此时选中RS485的RE端允许RS485发送。当RS485的R端的输出为逻辑电平1时,光电耦合器发光二极管不发光,光敏三极管不导通,这样,在RS232输出停止时,其TXD电平为-12V,电容被充电到-12V以使其输出也变成-12V,即逻辑电平1;当其输出为逻辑电平0时,光电耦合器发光二极管发光,光敏三极管导通,这时,其输出为+5V,也在RS232逻辑电平0的范围之内,即为逻辑电平0。 将上述转换器应用于分布式温度采集和控制

24、系统中时,可获得较为满意的转换效果(已有应用实例)。因此,在对下位机的实时性要求较高、通信的数据量不太大的分布式控制场合,这种低本钱、高可靠性的RS232/RS485转换器具有较大应用价值。RS232/RS485转换电路如3.3所示。 3.3 RS232/RS485转换电路图3.4 PWM式键盘接口电路 以往电路设计中,为实现单片机系统的键盘、LED显示,常采用两种方法:一是用8155、8255并行扩展接口构成显示、键盘电路。这时应采用含有P0、P2总线口的单片机,以便扩展并行口。这种电路选用的器件大,引脚多,对小型系统资源有些浪费。二是用串行口配上移位存放器74HC4060构成硬件译码静态显

25、示、键盘接口电路。这种电路大大减少I/O口线,但使用芯片较多,一块74HC4060芯片对应一位LED数码管,电路较复杂,耗电较大。为了充分利用资源,使设计出的系统最小、最优,我们在设计智能化测控仪表时,选用AT89C51单片机与MCl4499译码驱动器构成串行口硬件译码显示、键盘接口,既简化电路又使单片机引脚得到充分利用。 接口电路如下列图所示。在本接口电路中,只使用三块芯片构成硬件译码锁存的动态显示及键盘电路,动态扫描由硬件管理。工作原理 AT89C51的数据输入端P1口,然后由传感器、运算放大器、A巾转换器如5G14433等组成的前置通道,由P1口采集的数据是4位BCD码。在单片机中对其进

26、行数字滤波后,从串行口输出。键盘局部 使用串行输入、并行输出移位存放器74HC4060经串行口扩展并行I/o口设定串行口工作在移位存放器、方式0状态下。本接口只扩展了8个键,如不够,还可串接。显示局部 采用MCl4499译码、驱动。AT89C51的RXD提供串行输出的BCD码来显示数据,TXD提供串行移位脉冲。P3.4控制使能端EN。MCl4499的输出端A、B、C、D、E、F、G、DP 8个脚分别接在4位一体LED的断码输入端a、b、c、d、e、f、g上。字位选择端I、经反向器驱动后,分别接在4个数码管的公共端。由内部时序分时选通4个数码管,进行动态显示扫描。如所用LED显示器不止4个,可再

27、用一片MCl4499级联来扩展。为了使串行口的数据输出速率与MCl4499接收速率相匹配,单片机的工作频率应为3MHz。 电路工作原理 电路原理图如图3.5所示。调节波段开关SA的挡位,可以改变电容C1的充放电速率。利用C1两端交流电压通过双向触发二极管VD3去触发双向晶闸管VS导通、并改变了VS的导通角,使负载RL两端交流电压随之发生变化。 发光二极管VD2、VD5作为信号指示,由于导通角不同,发光亮度各异。SA置于“1挡,VD5显示;SA置于“4挡,那么VD2显示;R5是限流电阻,用来保护VS。电阻R7、电容C2为吸收回路,用来吸收SA在选挡时所产生的干扰脉冲,否那么在SA选挡过程中将对电

28、视机、音响及其他电声器件产生一定的干扰。元器件选择 电容C1选用0.1uF/160V,C2选0.022uF/400V涤纶电容器。电阻R1为56k、1/2W,R2为39k、1/4W,R3为27k、1/4W,R4为2k、1/4W,R5为47、1/2W,R6为100k、1/2W可变,R7为300、1/4W,R8为43k、1/2W。二极管VD1、VD4用1N4004。发光二极管VD2用BT104黄色,VD5用BT103绿色。触发二极管VD3为DB3或VR60。双向晶闸管V5用TLC226B3A/400V或TLC336A3A/600V。波段开关SA用KZX-1-2D-11W。负载RL为交流220V/30

29、0W电炉丝。 制作方法与使用说明 本电路的核心器件是双向晶闸管,因此一定要对其质量进行检测。由于电路简单可自行设计印制电路板。只要按图连接无误,不用调试便可工作 第4章 芯片介绍 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。其片内4kbytes可反复擦写的只读程序存储器EPROM和128kbytes的随机存取数据存储器RAM,32个I/O口线。两个16位定时,计数器,一个5向量两级中断机构,一个全双工串行通信121,片内

30、振荡器及时钟电路,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元。空闲方式停止CPU的工作.但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚电路图如图4.1所示: 图4.1 AT89C51引脚电路图4.2 MC14499芯片介绍 MCl4499是一个CMOS LED译码驱动器,片内主要包括一个20位移位存放器、一个锁存器、一个多路输出器,由多路输出器输出的BCD码经

31、译码器译码后,换成点七段码送至片驱动器输出a、b、d、e、f、g和小数点DP。另外,由片内振荡器经过四分频的信号,经位译码后提供4个位控信号,经位驱动器至四位控制线I、。由于MCl4499片内具有BCD译码器和串行接口,所以它几乎可以与任何单片机接口相连。 芯片主要控制信号为D:串行数据输入端;a、b、d、e、f、g:七段显示输出;工、:字位选择端,用来产生LED选通信号;OSC:振荡器外接电容端,外接电容使片内振荡器产生200800Hz扫描信号以防LED显示器闪烁;CLK:时钟输入端,用以提供串行接收的控制时钟,标准时钟频率为50kHz;丽:使能端,为0时,MCl4499允许接收串行数据输入

32、,为1时,片内的移位存放器将数据送入锁存器中锁存。 MC14499管脚配置如下列图4.2所示: 4.3 197芯片 在数据采集系统中,A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。197是im公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片,只需单一电源供电,且转换时间很短6ms,具有8路输入通道,还提供了标准的并行接口?8位三态数据I/O口,可以和大局部单片机直接接口,使用十分方便。 197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式,采样模式由控制存放器的D5位决定。在内部采样控制模式控制位置0中,由写脉冲启动采样间隔,经过瞬间的采样间隔芯片时钟为2M

33、Hz时,频率为3ms,即开始A/D转换。在外部采样模式D51中,由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时,写入ACQMOD为1,开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时,写入控制字ACQMOD为0,197停止采样,开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后,197相应的INT引脚置低电平,通知处理器可以读取转换结果及内部采样模式的数据转换时序。 对于模拟到数字量的转换,时序要求非常严格,由于197的数字信号输出引脚是复用的,要正确读出转换结果,时序要求尤其重要。在一次采样开始前,可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入197来初始化相应的参数。然后

34、按照一定的时序进行采样和转换。 图中HBEN为12位数据高4位或低8位有效控制位,当此位为高时,高4位数据有效,为低时低8位数据有效。可以通过控制这个引脚来读取12位的转换结果。其管脚排列图如图4.3所示: 图4.3 197的引脚电路图4.4 74HC4060芯片 74HC4060是一款高速CMOS器件,74HC4060引脚兼容HEF4060。 74HC4060是14阶脉动进位计数器/振荡器,带有3个振荡器端口(RS, RTC和CTC),10个缓冲输出(Q3至Q9,Q11至Q13)和1个最高优先级异步主复位(MR)。振荡器配置可以是RC振荡设计,也可以是晶振电路设计。通过RS输入端,振荡器可由

35、外部时钟信号代替。这种情况下,需保持其他振荡器引脚(RTC和CTC)悬空。74HC4060的计数器在RS的下降沿增长,MR端输入高电平那么会清零计数器(Q3至Q9,Q11至Q13为低),且不依赖于其他输入条件。其管脚排列图如下列图4.4所示: 图4.4 74HC4060的引脚电路图第5章 系统控制算法仿真5.1飞升曲线 实验中为了得到飞升曲线,选去了以被控制对象为1L净水,采用1KW电炉进行加热。飞升曲线法实测电加热炉参数。电加热炉是一阶惯性加纯滞后环节,传递函数为: 式中: K ? 放大系数; T ? 对象时间常数; ? 对象滞后时间 输出从起始值到达0.632倍稳定值的时间,即为时间常数T

36、,而滞后时间可直接从图中测量。有时实测的飞升曲线(见图3)有弯曲,这时可采用一阶加纯滞后的虚拟曲线来逼近,而起始局部那么可定出一个等效的滞后时间,可在曲线斜率的折点处作一切线,与时间轴的交点认为是一阶的起点,坐标原点到一阶的起点即纯滞后时间,一阶的起点到切线与稳定值的交点的时间为时间常数T。通过计算,得到其传递函数近似为并通过改变实验板上的PID控制参数进行水温度的恒温控制。实验中得到以下飞升曲线。 图5.1.2 飞升曲线25.2 PID算法仿真(1) PID算法的根本原理PID工作根本原理:由于来自外界的各种扰动不断产生,要想到达现场控制对象值保持恒定的目的,控制作用就必须不断的进行。假设扰

37、动出现使得现场控制对象值以下简称被控参数发生变化,现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器,改变过程变量值以下简称PV值,经变送器送至PID控制器的输入端,并与其给定值以下简称SP值进行比拟得到偏差值以下简称e值,调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律将在第三节PID算法中详细推导与分析发出控制信号,去改变调节器的开度,使调节器的开度增加或减少,从而使现场控制对象值发生改变,并趋向于给定值SP值,以到达控制目的。PID控制原理基于下面的算式:Mn MPn +MIn + MDn(输出比例项+积分项+微分项)。Mn :第n次采样时刻,PID回路输出的计算值OUT值 ,MPn :

38、第n次采样时刻的比例项 ,MIn :第n次采样时刻的积分项 ,MDn :第n次采样时刻的微分项比例项MPn:1比例项MP是增益Kc和偏差e的乘积。因为偏差e是给定值SP与过程变量值PV之差enSPn-PVn。求比例项算式为:MPnKc* SPn-PVn 其中MPn :第n次采样时刻比例项的值,Kc :PID回路增益 ,SPn :第n次采样时刻的给定值 ,PVn :第n次采样时刻的过程变量值。2积分项MIn与偏差和成正比。因为偏差e是给定值SP与过程变量值PV之差enSPn-PVn。求积分项算式为:MInKc* SPn-PVn+MX 其中MIn :第n次采样时刻积分项的值,Kc :PID回路增益

39、,T :采样周期或控制周期,TI:积分时间常数,SPn :第n次采样时刻的给定值,PVn :第n次采样时刻的过程变量值,MX:第n-1采样时刻的积分项积分前项。3微分项MDn与偏差的变化成正比。因为偏差e是给定值SP与过程变量值PV之差enSPn-PVn。求微分项算式为,MDn KC* * PVn-PVn-1,其中MDn :第n次采样时刻微分项的值,Kc :PID回路增益,PVn :第n次采样时刻的过程变量值,PVn-1:第n-1次采样时刻的过程变量值。4PID控制规律是一种较理想的控制规律,它在比例的根底上引入积分,可以消除余差,再参加微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数

40、或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。5PID手、自动控制方式,在现场控制回路中,我们有时会出现扰动的强变引起现场过程值的跳变,如果这时采用了I控制规律,要消除这个扰动,会使得调节时间过长、过慢,这时就需要人为的进行干预。PID控制器在这方面设置了一个使能位0或1,0指手动控制,1为PID参与调节,也就是“自动与“手动的说法。当PID运算不被执行的时,我们称之为“手动方式,PID运算参与控制称为“自动方式。当这个使能位发生从0到1的正跳变时,PID会按照预先设置的控制规律进行一系列的动作,使PID从手动方式无扰动地切换到自动方式,为了能使手动方式无扰动切换到自动方式,PI

41、D会执行以下操作: (1)置过程变量值PV给定值SP,在未人为改变SP值之前,SP持恒定。 (2)置过程变量前值PVn-1过程变量现值PVn 。6PID的最正确整定参数的选定,PID的最正确整定参数一般包括Kc、TI、TD等三个常用的控制参数。在具体整定中,我们通常先关闭积分项和微分项,将TI设置为无穷大、TD设置为零,使其成为纯比例调节。初期比例度按经验数据设定,根据PV曲线,再慢慢的整定比例控制比例度,使系统到达4:1衰减振荡的PV曲线,然后,再加积分作用。在加积分作用之前,应将比例度加大为原来的1.2倍左右。将积分时间TI由大到小的调整,真到系统再次得到4:1的衰减振荡的PV曲线为止。假

42、设需引入微分作用,微分时间按TD1/31/4 TI计算,这时可将比例度调到原来数值或更小一些,再将微分时间由小到大调整,直到PV曲线到达满意为止。有一点需要注意的是:在凑试过程中,假设要改变TI、TD时,应保持 的比值不变。7.值得注意的是:PID最正确整定参数确定后,并不能说明它永远都是最正确的,当由外界扰动的发生根本性的改变时,我们就必须重新根据需要再进行最正确参数的整定。它也是保证PID控制有效的重要环节。(2) PID算法仿真实验 实验中我们选择的对象传递函数模型为: (K20, T 60s,10s )控制示波器输出范围为-55V等同于实际控制中的控制器输出电压值;同时为了防止积分饱和

43、,对有积分的控制器均采用了积分别离措施,以提高控制效果。PID控制器的参数在通过Ziegler-Nichols法整定,减小了积分控制系统的稳态误差精度,由于不断累计误差,能使误差迅速消除,但能使系统产生超调;而在系统中增加微分控制,能够增加系统的阻尼,提高动态响应速度,由于PID控制器能够补偿绝大多数的控制系统,整定方法简单,鲁棒性好,通过PID最正确整定参数后再微调得传递函数:Kp0.07,Ki3,Kd0.018并建立PID调节器控制模型如下: 图5.2.1 PID调节器控制模型 MATLAB中运行并点击SCOPE,得出阶跃响应曲线图5.2.2其中超调量5%,响应时间按5%要求,约为210秒

44、。稳态误差约为0.2%。 图5.2.2 阶跃响应 图5.2.3 阶跃响应 下面观察一下在一个相对较小的随机扰动下系统的表现,当给定80度,增益的幅值上调10%后,即其阶跃响应图如图5.2.3。 为了观察一下系统的鲁棒性,把其它模型参数也加以改变,改为,和,其控制器控制参数不变,得到的阶跃响应结果图5.2.4和图5.2.5。 图5.2.4阶跃响应 图5.2.5 阶跃响应(3) PID仿真分析 从以上仿真曲线可以看到,PID控制算法的仿真曲线出现了等幅振荡。分析得到:PID控制算法仅仅在模型匹配时能够进行稳定的控制,其动态性能不理想。当模型失配时,PID控制算法就无能为力了。总的来说,PID调节的

45、效果不是很理想,在忽略了扰动的情况下,系统的超调量在5%左右,对于一个热水器来说,勉强是可以接受的,加一个相对来硕幅值较小的随机扰动后,系统的超调量到达了8%左右。如果考虑到对象的建模不十分准确,把参数改动一些后,出现了较大的超调,调节实践方面,系统的表现良好,响应时间小于160秒,稳态误差也较小,对于本设计的需求来看是可以满足要求的。第6章 MCGS组态 MCGS全中文工业自动化控制组态软件(以下简称MCGS工控组态软件或MCGS)为我们建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案,MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件,可稳定运行于Windows95/NT操作系统,集动画显示、流程控制

46、、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身,并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通信、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。6.1 MCGS?的整体结构 MCGS?软件系统包括组态环境和运行环境两个局部,组态环境相当于一套完整的工具软件,用户可以利用它设计和开发自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件,即组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统,它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理,完成用户组态设计的目标

47、和功能,组态环境和运行环境互相独立,又密切相关,如图6.1?所示。 图6.1?组态环境和运行环境的关系6.2 MCGS软件的功能和特点 ?全中文可视化组态软件,简洁、大方,使用方便灵活; ?完善的中文在线帮助系统和多媒体教程; ?真正的32位程序,支持多任务、多线程,运行于Win95/98/NT/2000平台; ?提供近百种绘图工具和根本图符,快速构造图形界面; ?支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国内外众多常用设备; ?支持温控曲线、方案曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线; ?支持ODBC接口,可与SQL Server、Oracle、Access等关系型数据库互联 ; ?支持OPC接口、DDE接口和OLE技术,可方便的与其他各种程序和设备互联; ?提供渐进色、旋转动画、透明位图、流动块等多种动画方式,可以到达良好的动画效果; ?上千个精美的图库元件,保证快速的构建精美的动画效果; ?功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建,保证多个系统完美结合; 完善的网络体系结构,可以支持最新流行的各种通讯方式,包括 通讯网、宽带通讯网、ISDN通讯