计算机控制系统课设报告数字温度PID控制器设计

计算机控制系统课设报告数字温度PID控制器设计计算机控制系统课设报告数字温度PID控制器设计计算机控制系统课设报告数字温度PID控制器设计计算机控制技术与系统《计算机控制系统A》课程设计任务书一、目的与要求1、经过本课程设计授课环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2、结合工程问题，培养提高学生查阅文件、有关资料以及组织素材的能力；3、培养锻炼学生结合工程问题独立剖析思虑和解决问题的能力；4、要修业生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，依照工程问题和实质应用方案的要求，进行方案的整体设计和剖析评估；5、报告原则上要求依照相应工程技术规范进行设计、制图、剖析和撰写等。二、主要内容1、数字控制算法剖析设计；2、现代控制理论算法剖析设计；3、模糊控制理论算法剖析设计；4、过程数字控制系统方案剖析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案剖析与设计；9、数据通信接口电路硬件方案设计与性能剖析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字办理方法；12、鉴于嵌入式办理器技术的应用方案设计；13、计算机控制系统抗搅乱技术与安全可靠性举措剖析设计；14、计算机控制系统差错控制技术剖析设计；15、计算机控制系统容错技术剖析设计；16、工程过程建模方法剖析；三、进度计划序号设计内容达成时间备注1选择课程设计题目，查阅有关文件资料7月13日2文件资料的学习，依照所选题目进行方案设计7月14日第1页共18页计算机控制技术与系统3讨论设计内容，改正设计方案7月15日4撰写课程设计报告7月16日5课程设计争辩7月17日四、设计成就要求1、针对所选题目的国内外应用发展概括；2、课程设计正文内容包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、剖析等；3、课程设计总结或结论以及参照文件；4、要求设计报告规范完满。五、核查方式经过系统设计方案、总结报告、图文质量和学习与设计态度综合考评，并结合学生的动手能力，独立剖析解决问题的能力和创新精神等。《计算机控制系统课程设计》成绩评定依照以下：1、撰写的课程设计报告；2、独立工作能力及设计过程的表现；3、争辩时回答以下问题的情况。优异：设计仔细，设计思路奇特，设计正确，功能完满，且有必然的独到之处，打印文档规范；优异：设计仔细，设计正确，功能较完满，且有必然的独到之处，打印文档规范；及格：设计基本仔细，设计有个别不完满，但达成基本内容要求，打印文档较规范；不及格：设计不仔细，未能达成设计任务，打印文档较乱或出现抄袭现象者。说明：同学选择题目要尽量分别，而且多位同学选同一个题目时，要求各自独立设计，防备相互参照太多，甚至抄袭等现象。学生姓名：苏印广指导教师：李士哲2015年7月17日第2页共18页计算机控制技术与系统一、课程设计(综合实验)的目的与要求1.1设计目的加深对控制算法设计的认识，学会控制算法的应用。掌握A/D变换电路的应用、掌握51单片机、8253可编程准时器/计数器的应用、掌握温度采集及控制方法。认识计算机控制系统的整体设计及调试的方法，锻炼和培养由各个子模块功能单元修筑完满的微机控制系统的能力。1.2设计要求(1)系统的被控对象为温箱系统，被测参数为温箱的温度，测温范围为0-300℃，误差不高出±0.1℃。（2）设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、有运放电路实现的被控对象组成的计算机单闭环反应控制系统。(3)控制算法：增量型数字PID控制(4)软件设计：主程序、中止程序、A/D变换程序、滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序等。二、设计（实验）正文1：整体方案设计本系统是一个典型的温度闭环控制系统，需要达成的功能是温度设定、检测与显示以及温度控制、报警等。温度的设定和显示功能能够经过键盘和显示电路部分达成；温度检测可以经过热电阻、热电偶或集成温度传感器等器件达成；温度超限报警能够利用蜂鸣器等实现；温度控制能够采用可控硅电路实现。系统采用89C51作为系统的微办理器来达成对炉温的控制和键盘显示功能。8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序储藏器，是一个程序不高出4K字节的小系统。系统程序很多时，只要要外扩一个容量较小的程序储藏器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计供应了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51能够达成设计要求2：控制系统的建模和数字控制器的设计2.1：温箱的数学模型和控制算法的选择依照实质测量，温箱是一个近似一阶惯性环节。以加热功率为输入，箱内温度为输出，其传达函数表达为第3页共18页计算机控制技术与系统sG(s)KdeTs1d（2.1）其中：时间常数Td=300；放大系数Kd=20；滞后时间=102.2：数字控制器的设计模拟PID控制系统构造图比率+r(t)e(t)+u(t)c(t)积分+被控对象-+微分图1模拟PID控制系统构造图它主要由PID控制器和被控对象所组成。而PID控制器则由比率、积分、微分三个环节组成。它的数学描绘为:u(t)Kp[e(t)1te(t)dtTDde(t)]u0i0dt(2.2)式中，Kp为比率系数TI;为积分时间常数;TD为微分时间常数.下面把PID控制分红三个环节来分别说明：A.比率调治(P调治)u(t)Kpe(t)u0（2.3）式中Kp为比率系数，u0为控制常量，即误差为零时的控制变量。误差e(t)r(t)y(t)。误差一旦产生，比率调治立刻产生控制作用，使被控制的过程变量y向使误差减小的方向变化。比率调治能使误差减小，但不能够减小到零，有剩余的误差（静差）。加大比率系数Kp能够提高系统的开环增益，减小静差，进而提高系统的控制精度。但当Kp过大时，会使动向质量变差，致使系统不牢固。积分调治（I调治）在积分调治中，调治器输出信号的变化速度du/dt与误差e(t)成正比，即du11T（2.4）dte(t)或u(t)e(t)dt0ii其中i为积分常数，i越大积分作用越弱。I调治的特点是无差调治，与P调治的有第4页共18页计算机控制技术与系统差调治形成鲜亮比较。上式表示，只有当被调治量误差为零时，I调治器的输出才会保持不变。I调治的另一个特点是它的牢固作用比P调治差。采用I调治能够提高系统的型别，有利于系统稳态性能的提高，但积分调治使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角迟后，对系统的牢固性不利。C.微分调治（D调治）在微分调治中，调治器的输出与被调治量或其误差关于时间的导数正比，即u(t)de(t)ddt（2.5）其中d为积分常数，d越大微分作用越强。由于被调治量的变化速度（包括其大小和方向）能够反应当时或稍前一些时间设定值r与实质输出值y之间的不平衡情况，所以调节器能够依照被调治量的变化速度来确定控制量u，而不要等到被调治量已出现较大的误差后才开始动作，这样等于赐予调治器以某种程度的预示性。数字PID控制系统构造图在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法平时又分为地址式HD控制算法和增量式PID控制算法。A：地址式PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能依照采样时刻的误差值计算控制量，故对式(2-1)中的积分和微分项不能够直接使用，需要进行失散化办理。按模拟PID控制算法的算式(2-1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则能够作以下的近似变换:t=kT(k=0,1,2)tkke(t)dte(jT)Te(j)(2-6)0j0j0de(t)e(kT)-e(k-1)Te(k)-e(k-1)dtTT显然，上述失散化过程中，采样周期T必定足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式(2.6)代入式(2.1)，能够获得失散的PID表达式为:Tke(j)TD(2-7)u(k)Kp{e(k)[e(k)e(k1)}T1j0T第5页共18页计算机控制技术与系统中式:k—采样序列号;u(k)—第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)—第k次采样时刻输入的误差值;e(k-1)—第k-1次采样时刻输入的误差值；I—积分系数，KI＝ＫPＴ/TID—微分系数，ＫDＴD/Ｔ。我们常称式(2.7)为地址式PID控制算法。关于地址式PID控制算法来说，地址式PID控制算法表示图如图2所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。而且若是履行器(计算机)出现故障，则会引起履行机构地址的大幅度变化，而这种情况在生产场合不一样意的，所以产生了增量式PID控制算法。r(t)+e(t)uc(t)PID调治阀被控对象-地址算法图2地址型控制表示图B：增量式PID控制算法所谓增量式PID是指数字控制器的输出可是控制量的增量(k)。增量式PID控制系统框图如图3所示。当履行机构需要的是控制量的增量时，能够由式(2-7)导出供应增量的PID控制算式。依照递推原理可得:k-1u(k-1)=Kpe(k-1)+KIe(j)+Kd[e(k-1)-e(k-2)]（2-8）j=0用式(2-7)减去式(2-8)，可得：u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]（2-9）式(2-9)称为增量式PID控制算法。增量式控制算法的优点是误动作小，便于实现无扰动切换。当计算机出现故障时，能够保持原值，比较简单经过加权办理获得比较好的控制收效。可是由于其积分截断效应大，有静态误差，溢出影响大。所以在选择时不能混作一谈。第6页共18页计算机控制技术与系统r(t)+e(t)PIDuc(t)调治阀被控对象增量算法-图3增量型控制表示图3：硬件的设计和实现系统的硬件电路包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分图4电热阻控制系统构造框图3.1微控制器本设计要求采用51内核的单片机。AT89C51是一种带4K字节Flash可编程可擦除的高性能CMOS8位微办理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读储藏器能够屡次擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失储藏器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁储藏器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。综合考虑，本设计选择AT89C51单片机为核心控制器。AT89C51单片机的引脚图如图5所示。第7页共18页计算机控制技术与系统图5AT89C51引脚图3.2:温度检测电路。温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D变换器三部分。温度传感器和变送器的种类选择与被控温度的范围及精度等级有关。型号为WZB-003的铂热电阻适合于0~500的温度测量范围，能够知足本系统的要求。变送器将电阻信号变换成与温度成正比的电压，当温度在0~500时变送器输出0~4.9V左右的电压。A/D变换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差，采用8位A/D变换器，其最大量化误差为CCo1)5002551(210，能够知足精度要求。所以，本系统采用ADC0809作为A/D变换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使Co500~0的温度变化能对应于0~4.9V的输出，则A/D变换对应的数字量为00H~FAH，即0~250，变换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面能够减少标度变换的工作量，另一方面还能够防备标度变换带来的计算误差，模拟信号频次信号数字信号LM331频次计数器数据办理与储藏准时器基准频次图6由LM331实现A/D变换器的框图第8页共18页计算机控制技术与系统图7温度传感器连结电路3.3:温度控制电路。控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电炉电阻丝串接在沟通220V的电回路中，单片机P1.7口的信号经过光电间隔器和驱动电路送到可控硅的控制端，由P1.7口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，进而控制电阻丝的通电加热时间。3.4:人机对话电路。这部分包括键盘、显示和报警三部分电路。其中LED采用共阴极方式，4个显示器的段选码由8155的PB口供应，位选码由8155的PA口供应，矩阵式键盘的行线由PC供应。LED采用动向扫面方式，而键盘采用中止的工作方式。由于系统已经使用了INTo和INT1,所以采用准时器T0作为外面中止源。能够选择设置T0工作在方式2外面计数方式，准时器TH0，TL0初值为0FFH，并赞同T0中止，这样当T0引脚上发生负跳变时，TL0加1，产生溢出，置“1”TF0向CPU发出中止申请，同时TH0的内容0FFH送TL0，即TL0恢复初值0FFH,尔后CPU去履行键盘扫描，还设置了系统复位键。报警功能由蜂鸣器实现。当由于不测因素致使电阻炉温度高于设置温度时，P1.6口送出低电平经反相器驱动蜂鸣器鸣叫报警。第9页共18页计算机控制技术与系统四、软件设计系统的操作过程和工作过程在程序的设计过程中起着很重要的指导作用，所以在软件设计以前应第一剖析电阻炉的工作原理。1.工作流程电阻炉在上电复位后先处于停止加热状态，这时能够用数字键设定预置温度并显示出来；温度设定后，就能够按启动键启动系统工作。温度检测系统不断准时检测目前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示目前温度；当温度下降到下限时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。启动后能够改正预置温度。2.功能模块依照对工作流程的剖析，系统软件能够分为以下几个功能模块：（1）键盘管理。实现键盘扫描与办理功能，接收温度预置，启动系统工作。（2）显示。显示设置温度及目前温度。（3）温度检测及温度值变换。实现A/D变换及数字滤波功能。（4）温度控制。依照检测到的温度控制电炉的工作状态。（5）报警。当预置温度或目前检测的炉温越限时，输出报警信号。3.资源分派在编程前，第一要对89C51的资源进行分派。它包括显示单元（6位）、预置温度单元（2位）、目前检测温度（2位）、BCD码显示缓冲区（3位）、二进制码显示缓冲区（3位）、报警赞同标志、货仓区等。尔后，还需要对键盘输入和报警、控制电路的端口地址进行分派。单片机89C51内存的资源分派能够利用伪指令进行定义。数据储藏器的分派与定义以下表。P1.0~P1.3为键盘输入接口，P1.6和P1.7分别为报警控制和电路控制接口。ADC0809输入通道图9地址单元及其功能INO~IN7的地址为7FF8H~7FFFH，本系统使用IN0通道。第10页共18页计算机控制技术与系统4.程序整体构造设计系统程序设计采用模块化设计方法，程序由主程序、中止服务子程序和各功能模块程序等组成，各功能模块可直接调用。主程序达成系统的初始化、温度预置及其合法性检测、预置温度的显示及准时器T0的初始化设置等。T0中止服务程序是温度控制系统的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动A/D变换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限办理、输出可控硅的控制脉冲等）。中止由T0产生，依照需要每隔15S中止一次，即每15S采样控制一次。由于系统采用6MHZ晶振，最大准时为130ms，为实现15S准时，另行设计了一个软件计数器。主程序和中止服务子程序以下。TEMP1EQU50H；目前检测温度（高位）TEMP2EQU51H；目前检测温度（低位）ST1EQU52H；预置温度（高位）ST1EQU53H；预置温度（低位）T100EQU54H；温度BCD码显示缓冲区（百位）T10EQU55H；温度BCD码显示缓冲区（十位）T1EQU56H；温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1EQU57H；温度二进制显示缓冲区（高位）BT2EQU58H；温度二进制显示缓冲区（低位）ADINOEQU7FF8H；ADC0809通道IN0的端口地址F0BITPSW.5；报警赞同标志TEMP1DB00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H；50H~58H`单元初始化（清零）主程序：ORG0000HAJMPMAIN；转主程序ORGOOOBHAJMPPT0；转PTO中止服务子程序ORG0030HMAIN:MOVSP,#59H；设货仓指针CLRF0；报警标志清零MOVTMOD,#01H；准时器0初始化（方式1）MOVTL0,#0B0H；准时器100ms准常常数MOVTH0,#3CHMOVR7,#150；置15s计数器初值第11页共18页计算机控制技术与系统SETBETO；赞同准时器0中止SETBEA；开中止SETBTR0；启动准时器0MAIN1:ACALLKIN；调键盘管理子程序ACALLDISP；调显示子程序SJMPMAIN1;准时器0中止服务子程序PT0：PT0：MOVTL0,#0B0HMOVTH0,#3CH；重置准时器初值DJNZR7,BACK；检测可否抵达15SMOVR7,#150；重置计数器初值ACALLTIN；温度检测MOVBT1,TEMP1；目前温度送显示缓冲区MOVBT0,TEMP2ACALLDISP；显示目前温度ACALLCONT；温度控制ACALLALARM；温度越限报警BACK:RETI第12页共18页计算机控制技术与系统开始保护现场开始重置准时器0初值定义货仓区准时器减1准时15s准时器0、软准时器、各数据缓冲区、个标志位初始化重置准时器初值开准时器0中止调用温度检测系统目前温度送显示缓存调用键盘管理子程序调用显示子程序调用显示子程序调用温度子程序调用报警子程序中止返回图10主程序图11中止服务子程序第13页共18页计算机控制技术与系统（2）显示模块。显示子程序的功能是将显示缓冲区57H和58H的二进制数据先变换成3个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H和56H）单元，尔后经过串行口送出显示。显示子程序DISP：DISP:ACALLHTB;调用将显示数据变换成BCD码的子程序MOVSCON,#00H;置串行口为方式0MOVR2，#03H;显示位数送R2MOVR0，#T100;显示缓冲区首地址送R0LD:MOVDPTR,#TAB;指向字符码表首地址MOVA,@R0;取显示数据MOVCA,@A+DPTR;查表MOVSBUF,A;字符码送串行口WAIT:JBCTI,NEXT;发送结束转下一个数据并清中止标志SJMPWAIT;发送未完等待NEXT:INCR0;改正显示缓冲区指针DJNZR2，LD;判断3位显示可否达成，未完连续RETTAB:C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90HHTB:MOVA,57H;取二进制显示数据MOVA,58HMOVB,#100;除以100，确定百位数DIVA,BMOV54H,A;百位数送54H单元MOVA,#10;除以10，确定十位数以及个位数XCHA,BDIVA,BMOV55H,A;十位数送55H单元MOV56H,B;个位数送56H单元RET;返回（3）温度检测模块。A/D变换采用查问方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法好多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D变换结果乘以2正好是温度值，所以，4次采样的数字量之和除以2就是检测的目前温度。检测结果高位存入50H，低位存入51H。第14页共18页计算机控制技术与系统图12温度检测流程图程序以下：MOV51H,#00H;清检测温度缓冲区MOV50H,#00HMOVR2，#04H;取样次数送R2MOVDPTR,#7FF8H;指向A/D变换器0通道TADC0：MOVX@DPTR,A;启动变换TADC1：JNBIE1，TADC1;等待结束MOVXA,@DPTR;读变换结果ADDCA,51H;累加MOV51H,ADJNZR2,TADC0;4次采样可否达成，未完连续CLRC;累加结果除以2MOVA,51HRRCAMOVR5，AORLA,#0FH;高8位放50H低8位放51HMOV51H,AORLR5，#0F0H第15页共18页计算机控制技术与系统MOV50H,R5RET4）温度控制模块。将目前温度与预置温度比较，目前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；目前温度大于预置温度，继电器断开，停止加热；当两者相等时电炉保持原来状态；目前温度降低到比预置温度低Co2时，再从头启动加热；目前温度高出报警上下限时将启动报警，并停止加热。温度控制子程序：CONT:MOVA,51H;目前温度→ACLRC;清零SUBBA,53H;目前温度-预置温度JNCCONT1;无借位，表示目前温度≥预置温度，转CONT1JNBF0，CONT0;目前温度<预置温度，判断可否高出预置温度CLRCSUBBA,#02H;若高出预置温度，判断两者差值可否大于2JNCACC.7，CONT1;差值不大于2，转CONT1CONT0：CLRP1.7;开电炉SJMPCONT2;返回CONT1：SETBF0;设置赞同报警标志SETBP1.7;关电炉CONT2：RET第16页共18页计算机控制技术与系统（5）温度超限报警模块。报警上限温度值