基于大 林算法 的温度控制

1、目录前言错误！未定义书签。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 摘要1正文1系统方案21.1设计任务和要求2系统方案设计2总体方案设计2控制系统的建模和数字控制器的设计3硬件方案设计5硬件设计8 HYPERLINK l bookmark6 单片机芯片AT89C528 HYPERLINK l bookmark8 2.2LCD16028 HYPERLINK l bookmark10 LCD1602引脚8 HYPERLINK l bookmark12 转换器ADC0809，DAC08328 HYPERLINK l bookmark14 SN54HC164移位寄存器9

2、 HYPERLINK l bookmark16 系统软件设计11 HYPERLINK l bookmark18 主程序结构框图11 HYPERLINK l bookmark20 3.2程序流程控制图11实验总结14 HYPERLINK l bookmark22 参考文献16 摘要电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为20KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度范围50350C，保温阶段温度控制精度为土1C。选择合适的传感器，计算机输出信号经

3、转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，其对象温控数学模型为：KetsG(s)=dTs+1d其中：时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间T=10秒，控制算法选dd用大林算法。关键词：单片机；A/D、D/A；大林算法；传感器；炉温控制系统方案1.1设计任务和要求电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为20KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度为1000C，控温精度为1C。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控

4、硅控制器控制加热电阻两端的电压，其对象温控数学模型为：KetsG(s)=dTs+1d其中：时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间T=10秒，控制算法选dd用大林算法。1.2系统方案设计1.2.1总体方案设计本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度1000C，控温精度为土1C。本系统采用典型的反馈控制系统，其原理图如图1-1所示：图1-1反馈控制系统原理图该系统包括单片机，键盘显示，温度检测电路，A/D、D/A转换器，移位寄存器，温度控制回路等组成部分，其结构框图如图1-2所示：图1-2系统结构框图系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过

5、变送器变成0-5V的电压信号送入A/D转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。在微机内部，主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算，再经D/A转换器变成模拟量，然后经放大器放大后输入调压器，调节电压的大小，以达到控制温度的目的。1.2.2控制系统的建模和数字控制器的设计在一些实际工程中，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

6、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。大林算法中D(z)的基本形式设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为：加+1(2-1)2-2)其中匕为被控对象的时间常数，日二称为被控对象的纯延迟时间，为了简化,设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。由于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，即由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相

7、应的整个闭环系统的脉冲传递函数是2-3)于是数字控制器的脉冲传递函数为2-4)D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式(2-1)的传递函数可知，其脉冲传递函数为：-+1)将此式代入(2-4)，可得式中：T采样周期:2-5)被控对象的时间常数；闭环系统的时间常数。二阶惯性环节大林算法的D（z）基本形式当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为其中，将式G（z）代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型:口二绘G+G

8、八）1-2-6)（1一旷）（1一旷”乜一1）（1一旷电）尸尹3尹z由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。1.2.3硬件方案设计1、单片机的选取AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存

9、储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。本设计采用ATMEL公司的AT89C52单片机。其结构框图如图1-3所示：Ffas存储器ETCh片内RAM定时器1定时器0外部中断计数器输入总线控制41/端口串行接口P0P1P2P3

10、图1-3单片机结构框图2、显示器的选取本设计能够显示设定的温度值和检测到的实际的温度值，因此需要显示器来实现此功能，LCD（液晶显示器）,通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象，具有零辐射，低耗能，散热小，纤薄轻巧，精确还原图像，显示字符锐利，屏幕调节方便等优点，本设计采用3、转换器的选取要处理好模拟信号与数字信号的双向转换，我们需要一个转换器实现信号的转换，本设计采用ADC0809和DAC0832转换器。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。D

11、AC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。用LCD显示。4、移位寄存器的选取单片机将检测到的温度值送到LCD显示，在中间需加入移位寄存器，先送到寄存器，再送LCD显示。3、键盘显示和报警电路本系统采用3*3键盘，由单片机I/O口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。报警电路是将单片机的I/O口与驱动芯片MC1413相连，通过MC1413驱动蜂鸣器。键盘电路和时钟电路如图3中所示。c-WV220V无忧屯了7TO12345ppPPPPO123456on-oo&ooppPPPPP忆_SSR161152143134.Cl4131251161079

12、&AT8PG5FSENINTIToTD田益EA幻韻RXTXP2uF21F22F23:P24P25P2S：P27/Ag：WRRDc-TTO1234567csddddddddI.1AAAAAAAADS12887硬件设计2.1单片机芯片AT89C52AT89C52芯片引脚图如图2-1所示:T2/P1.0匚T2EK/P1.1匚P1.2P1.3P1.4匚P1.5CP1.6匚P1.7CRST匚RXD/P3.0匚TXD/P3.1IHT0/P3.2IHT1/P3.3匚T0/P3.4匚T1/P3-5匚/P3.6匚M/P3.7匚KTAL2匚KTAL1PDIP&HI1匚01234567890123456783111

13、111111120987654321098765432143333333333222222222VccP0.0/ADOPO.1/AD1PO.2/AD2PO.3/AD3PO.4/AD4PO.5/AD5PO.6/AD6PO.7/ADTEA/VFPALE/FEDGPES1TP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/Al2P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A3P2.0/A8图2-1AT89C52芯片引脚图2.2LCD1602LCD1602引脚LCD1602引脚图如图2-2所示:图2-2LCD1602引脚图2.3转换器ADC0809，DAC0832ADC0809是采样频率为8位的

14、、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。其结构图如图2-3所示：图2-3ADC0809结构图2.4SN54HC164移位寄存器SN54HC164引脚图如图2-4所示：A1Uu1VccB213QhQa3121QgQb4弟1Qfc5W1qeQd6gCLRGND1aCLKSN54HC164FKPACKAGE(TOPVIEW)OHmc/LJI_432589W1112132019r1BI716I514QgNCQfNCQeNC-Nointernalconnection图2-4移位寄存器引脚图SN54HC

15、164是8位移位寄存器，当其中一个（或二个）选通串行输入端的低电平禁止进入新数据，并把第一个触发器在下一个时钟脉冲来后复位到低电平时，门控串行输入端（A和B）可完全控制输入数据。一个高电平输入后就使另一个输入端赋能，这个输入就决定了第一个触发器的状态。虽然不管时钟处于高电平或低电平时，串行输入端的数据都可以被改变，但只有满足建立条件的信息才能被输入。时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上。为了减小传输线效应，所有输入端均采用二极管钳位。其功能表如表2-2所示：Inputs输入Outputs输出CLRCLKABQAQB.QHLXXXLLLHLXXQAQBQH000HHHHQAnQGnHL

16、XLQAnQGnHfXLLQAnQGn表2-2移位寄存器功能表H=高电平（稳定态）L=低电平（稳定态）x=不定f=从低电平转换到高电平,QAO.QHO=在稳定态输入条件建立前QA.QH的相应电平，QAn.QHn-在最近的时钟输入条件（f）建立前QA.QH的相应电平，表示移位一位。SN54HC164移位寄存器逻辑图如图2-5所示：图2-5移位寄存器逻辑图三系统软件设计3.1主程序结构框图主程序结构框图如图3-1所示：图3-1程序流程控制图3.2程序流程控制图1、程序流程控制图如图3-2所示初始化”调用键扫描子程序,调用A/D转换子程序”调用温度控制子程序调用显示子程序,键值复原”图3-2程序流程

17、控制图控制过程：手动输入一个温度设定值，需要调用键盘扫描子程序，再由传感器检测现场的温度值，调用A/D转换子程序，将模拟信号转换为数字信号送单片机处理，调用温度控制子程序来实现温度控制，调用显示子程序将处理后的结果送LCD显示。在使用键盘时，要考虑键盘的去抖问题，消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加抖动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下，原理图如图3-3所示：图3-3键盘消抖原理图2、A/D转换程序流程图如图3-4所示：图3-4A/D转换程序流程图3、温度控制流程图如图3-5所示：开始降温实际温度2设定温度？实际温度=*设定温度？电加热炉工作电加热炉不工作图3-5温度控制流程图由于时间紧张，所以我们决定通过将控制器的传递函数与采样开关结合即用离散化Z变化，来代替闭环的前向同路的一部分，即通过要达到的闭环传递函数与给定的被控对象传递函数来求出控制