基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计

德州学院物理系 电子信息工程 课程设计德州学院物理系 电子信息工程 课程设计-1-基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计总体方案设计根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对温度的测量和控制。1.1系统结构该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。1-1单片机温度控制系统方案原理示意图传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809)转换成数字信号输入主机（单片机8031)。1.2具体设计考虑1、由于温度测量范围为0〜120°C，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5°C;为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED;为了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与单片机接口简单。其测温范围为-55〜+150°C,工作电压4〜30V，输出电流与绝对温度成正比，即为1MA/K。执行机构可选用ZKZP-II型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。调节阀用D/A转换器输出的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应阀门全打开。3、可采用带死区的比例积分（PI)控制算法实现对温度的控制。烘箱温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对PI算法的3个参数在线整定。这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。控制系统的建模和数字控制器设计2.1PID控制算法PID工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到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。若扰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采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值(以下简称SP值)进行比较得到偏差值(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)，以达到控制目的，其实PID的实质就是对偏差（e值）进行比例、积分、微分运算。PID控制器的控制规律可以描述为：比例（P)控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分（I)控制的作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分（D)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。根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID等不同的控制模型。比例+设定- e积分+e执行部件y微分+-图2-12.2数字PID的实现在连续-时间控制系统（模拟PID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。随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID控制领域，也就出现了数字式PID控制。由于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID控制算法（如公式1所示），所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：以T为采样周期，k为釆样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式（求差）代替微分，这样可以将连续的PID计算公式离散：这样就可以让计算机或者单片机通过釆样的方式实现PID控制，具体的PID控制又分为位置式PID控制和增量式PID控制，公式4给出了控制量的全部大小，所以称之为全量式或者位置式控制；如果计算机只对相邻的两次作计算，只考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式PID控制算法，其实质就是求Ap的大小，而所以将式4做自减变换有：控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法釆用数字PID调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。三、硬件的设计和实现3.1选择计算机机型一8031温度控制电路8031X寸温度的控制是通过双向可控硅实现的。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8031用软件在P3.1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。如图是单片机8051的结构。3.2设计支持计算机工作的外围电路根据总体方案，采用8031外扩2764作程序存储器；外扩8255用于4位LH)显示温度、声光报警和扩展光电隔型DAC产生0〜10mA可调电流控制电动阀；外扩8路8位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口相连。完整的硬件电路组成是通过8255的PA口和PC0〜PC3口扩展4位LH);通过PB口和PC5扩展光电隔型D/A,DAC0832设置为单缓冲方式，Vkhk=_5V,于是经运算放大器A1后产生0〜5V可调直流电压，再经运算放大器A2在复合三极管T的集电极和+12V电源之间产生0〜10mA可调电流，以便控制电动阀的动作（RW1于调整满量程值，D1用于保护三极管T)；通过总线直接扩展ADC0809,由于仅使用4路，故选择通道的C端直接接地，由于温度传感器是输出电流信号且与绝对温度成正比，故釆用电平移动电路及放大电路使运算放大器A3输出电压值与摄氏温度成正比(RW2,RW3分别用语温度测量电路的零点调节和满量程调节）；声音报警电路中,蜂鸣器采用长鸣形式，由门电路构成Is振荡器产生的响音；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口直接接口，各位又通过2kQ电阻接地。由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为：2764：0000H—1FFFH8255：7000H—7003HADC0809：B000H—B003H3.3转换电路在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件,它的温度每升高1K，电流就增加1W\。当AD590的电流通过一个10K的电阻时，这个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K,为了使此电阻精确（0.1%)，可用一个9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10KQ。图所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V),然后将此电压放大到2.73V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。将AD590放入0°C的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73V，同样使A2的输出电压也为2.73V,因此A1与A2两输出端之间的电压：2.73-2.73=0°C即对应于0°C。图3-3电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路3.4信号处理电路温度检测的小信号放大与绝对/摄氏温度转换采用图电路，其中Rw用来完成绝对/摄氏温度转换及调零功能，运放要求采用一片集成普通四运放LM324来完成图的信号处理功能，其工作电源取单电源VCC=9V。设计中电阻元件可参考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、Rg=5K、Rw=10K；高频滤波电容可取C=0.01MF。图3-4信号处理电路3.5主电路主电路如图4-4所示，温度检测信号输入ADC0809的IN3引脚，经过模数转换结果输入AT89C51,结果从P1口输出驱动2个LK)实现数据显示功能。图3-5温度检测主电路四、软件设计4.1系统资源为了编程方便，可以把8031的内部128BRAM先进行分配；也可在程序中用标号代替，最后用EQU或DATA定义。如果先对内存进行分配，本系统可分配为：24H8031P1口的T给足BCD值暂存。主程序框图：图4-1主程序图4.2编写A/D转换和位置检测子程序框图：ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us.图4—2A/D转换结束中断服务流程图4.3编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换，读入釆样数据，数字滤波，越限温度报警和越限处理，PID计算和输出可控桂的同步触发脉冲等。P1.3引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8031利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示。图4-3D/A转换程序图五、软件说明以及电路图本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。系统用PID控制算法实现温度控制，可以使系统的精度达到土0.1°C,准确度和稳定性都可以令人满意。系统还以单回路控制为例，极易扩展成多回路控制。MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各