畢業(yè)設計（論文）基于灰色PID的溫度控制系統(tǒng)的研究

1、溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。計算機測控技術的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的電子測量在原理、功能、精度和自動化程度上有了極大地提高。單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。本文以電阻爐爐溫控制為研究對象設計了以單片機為核心的硬件電路和軟件程序。硬件電路選用8951單片機，軟件程序采用中斷嵌套方式。提出了灰色pid控制算，即以灰色系統(tǒng)理論為基礎，對系統(tǒng)不確定部分建立灰色模型，進行灰色

2、預估補償，使控制系統(tǒng)的灰量得到一定程度的白化，進而提高pid控制質量及其魯棒性。關鍵詞：灰色pid調(diào)節(jié)，溫度控制，單片機，電阻爐1 緒 論1.1 概述近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金、化工、機械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電

3、等；控制方案有直接數(shù)字控制（ddc），推斷控制，預測控制，模糊控制（fuzzy），專家控制(expert control)，魯棒控制（robust control），推理控制等。 隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：pid控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質量更好，降低了產(chǎn)

4、品的成本，提高了生產(chǎn)效率。單片微型計算機的功能不斷的增強，為先進的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機種應運而生。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領域和其他測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。像用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設備對溫度的控制要求越來越高，而本文則以單片機為核心、灰色pid算法為控制方式而設計的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)有四部分組成：8951單片機系統(tǒng)；溫度檢測；輸出控制通道及報警

5、顯示系統(tǒng)。工作時，溫度由熱電偶和電壓電流變換器轉換成電流信號，經(jīng)運放放大至05v的電壓信號，由a/d轉換器轉換成單片機所能接受的數(shù)字信號，此信號與溫度的給定值比較得到溫度偏差，通過灰色pid控制器運算，此控制量經(jīng)可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時間，以達到溫度控制的目的。系統(tǒng)的給定值、pid參數(shù)由鍵盤輸入，并可以隨時修改，給溫度和采樣溫度顯示在led上。1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀隨著工業(yè)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了更多的要求，因此熱處理技術也想著優(yōu)質、高效的方向發(fā)展。電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應用廣泛,因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié),具有大慣性、純滯后

6、、非線性等特點,導致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應用最廣的加熱設備，加熱時均溫過程的測量與控制就成為關鍵性的技術。第一，控溫精度高。其次，當環(huán)境發(fā)生變化而影響到控溫精度時，要有適合的手段進行調(diào)整以達到要求。而且，為了方便進行工藝的研究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。而采用單片機進行爐溫控制,具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點,對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。改革開放以來，我國工業(yè)有了較大的發(fā)展，國內(nèi)引進和生產(chǎn)了少量的比較先進的控制設備，但是，我國的大部分電阻爐控制系統(tǒng)比國外發(fā)達國家落后，占主導地位的是模擬儀表控制，這種系統(tǒng)的參數(shù)需要人工選

7、擇，要配置專門的儀表調(diào)試人員，費事，費力且不準確?？刂凭炔桓撸僮鞑环奖?，數(shù)據(jù)無法保存。針對于此本文提出了灰色pid調(diào)節(jié)的方法。1.3 系統(tǒng)設計本系統(tǒng)采用的溫度測量元件是ds18b20，它是dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于構成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號（按9位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，它具有三引腳to-92小體積封裝形式，溫度測量范圍55125，可編程為912位a/d轉換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，

8、其工作電源既可在遠端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個ds18b20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，cpu只需一根端口線就能與多個ds18b20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出ds18b20可以非常方便的被用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。綜上，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片ds18b20測量溫度。該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在0100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。 pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，是迄今為止最通用的控制方法。目前大多數(shù)工業(yè)控制回路仍然應用著pid控

9、制器或改進型pid控制器。它結構靈活，不僅可以采用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)要求，采用各種pid的變種，如pi、pd控制，不完全微分控制，積分分離控制，模糊pid控制，灰色pid控制等等。pid控制器把設定值與實際輸出值相減，得到控制偏差，偏差值經(jīng)比例、積分、微分運算后通過線性組合構成控制量，然后對于對象進行控制。雖然計算機控制是離散的，但對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化。因此，可以用數(shù)字pid代替模擬調(diào)節(jié)器。 在模擬控制系統(tǒng)中，其過程控制是將被測參數(shù)，由傳感器變換成系統(tǒng)的標準信號輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，再把比較出的差值經(jīng)pid運算后送到執(zhí)行機構，改變進給

10、量，以達到自動調(diào)節(jié)的目的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中則是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器，按偏差的比例，積分，微分進行控制和調(diào)節(jié)，是連續(xù)系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(diào)節(jié)器。在工業(yè)控制中，由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要花費很大代價進行模型辨識，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型十分困難，應用直接數(shù)字控制方法比較困難。所以通常采用pid調(diào)節(jié)器，雖然常規(guī)pid調(diào)節(jié)器具有較強的魯棒性，技術成熟，控制結構簡單。但它的控制理論和方法，大多是根據(jù)系統(tǒng)已發(fā)生的行為特征進行控制的，屬“事后控制”。已發(fā)生行為，一般來說由于系統(tǒng)的慣性，會在較短的時間內(nèi)持續(xù)下去，所以這些控制在多數(shù)情況下是可用的、有實

11、際效果的，但是很難做到完全真正的實時性、準確性和適應性，因而難以使控制系統(tǒng)質量得到進一步地提高。所以本文采用了由二十世紀八十年代由我國學者鄧聚龍教授提出的灰色預測控制理論，則是從已發(fā)生的行為特征量中，尋找系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，按其預測系統(tǒng)未來的行為，并根據(jù)未來的行為趨勢，確定相應的控制決策。所以，這種控制是著眼于系統(tǒng)未來行為的預控制、是超前控制，它具有較強的自適應性、通用性、實時性和準確性，且結構簡單，技術明了，是一種具有廣闊前景的新型控制。本文以電阻爐爐溫控制系統(tǒng)為研究對象，采用灰色pid調(diào)節(jié)器對電阻爐爐溫系統(tǒng)進行控制，通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)來調(diào)節(jié)控制，以達到滿意的控制效果。 2系統(tǒng)的整體設計方案2.1

12、系統(tǒng)工作原理溫度傳感器 ds18b20 從設備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機 at89s51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當前設定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當前溫度進行調(diào)整。當采集的溫度經(jīng)處理后超過設定溫度的上限時，單片機通過三極管驅動繼電器開啟降溫設備 (壓縮制冷器) ，當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度的下時 , 單片機通過三極管驅動繼電器開啟升溫設備 (加熱器) 。 當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅動揚聲器發(fā)出警笛聲。 系統(tǒng)中

13、將通過串口通訊連接pc機存儲溫度變化時的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。圖2-1工作原理圖2.2 控制過程 整個系統(tǒng)由單片機定時對溫度進行檢測，經(jīng)a/d轉換得到相應的數(shù)字量，再送到微機進行判斷和運算，得到相應的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。本文采用8951單片機實現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實際需要對工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個操作建輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。為了便于與上級計算機構成兩級控制系統(tǒng)，在單片機控制系統(tǒng)中加入了通信功能。采用rs-232接口，通信速率為1200b/s，

14、2400b/s，4800b/s和9600b/s等四種波特率，由用戶通過鍵盤自行按需要選擇。系統(tǒng)的測量值和所有設定參數(shù)均由led數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀。控制器結構如圖2-2所示 圖2-2控制器結構3硬件電路設計3.1 硬件電路設計原則 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路包含有兩部分內(nèi)容；一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ram,rom,i/o口。定時/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時 ，必須在另外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照功能要求配置外圍設備，如鍵盤，顯示器等，要求設計合適的接口電路 系統(tǒng)擴展和配置設計應遵循的原則：（1） 盡可能選擇典型

15、電路，并符合單片機的常規(guī)算法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎（2） 系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當?shù)挠嗟?，以進行二次開發(fā)（3） 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件結構會產(chǎn)生相互影響。考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應時間要比直接用硬件實現(xiàn)來的長，而且占用cpu時間。因此，選擇軟件方案時，要考慮這些時間因素。（4） 整個系統(tǒng)中相關元件要盡可能做到性能匹配。（5） 可靠性及抗干擾設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的一部分，它包括芯片，器件選擇，去耦濾波，印刷電路板布線，通

16、道隔離等。（6） 單片機外接較多，必須考慮其驅動能力。驅動不足，系統(tǒng)工作不可靠，解決辦法是增強驅動能力，增設驅動器或者減少芯片功耗，降低總線負載。3.2 單片機的選擇 at89s51 是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方

17、案。at89s51具有如下特點：40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，at89s51設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應不同

18、產(chǎn)品的需求。由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設計中選用 a tmel 公司的 a t89s51單片機作為主控芯片。主控模塊采用單片機最小系統(tǒng)是由于 a t89s51芯片內(nèi)含有4 kb的 e2prom ,無需外擴存儲器 ,電路簡單可靠 ,其時鐘頻率為 024 mhz ,并且價格低廉 ,批量價在 10元以內(nèi)。其主要功能特性： 兼容mcs-51指令系統(tǒng) 4k可反復擦寫(1000次）isp flash rom 32個雙向i/o口 4.5-5.5v工作電壓 2個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33mhz 全雙工uart串行中斷口線 128x8 bit

19、內(nèi)部ram 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3級加密位 看門狗（wdt）電路 軟件設置空閑和省電功能 靈活的isp字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出at89s51提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，看門狗（wdt），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘。同時, at89s51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在ram中的內(nèi)容，

20、但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個硬件復位。at89s51引角功能說明vcc：電源電壓gnd：地p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口，作為輸出口用時，每位能驅動8個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。p1口：p1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1

21、”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號校驗期間，p1接收低8位地址。表3-1為p1口第二功能。表3-1 p1口第二功能端口引腳第二功能p1.5mosi（用于isp編程）p1.6miso（用于isp編程）p1.7sck（用于isp編程）p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2的輸出緩沖級可驅動4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流i。在訪問位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行：movx

22、 ri 指令）時，p2口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整個訪問期間不改變。flash 編程或校驗時，p2也接收高位地址和其它控制信號。）p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口。p3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流i。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能，p3口的第二功能如下表3-2。 表3-2 p3口的第二功能 端口功能第二功能端口引腳第二功能rxd（p3.0）串行輸入口t0（p3.4）定時/計數(shù)器0外部輸入txd

23、（p3.1）串行輸出口t1（p3.5）定時/計數(shù)器1外部輸入int0（p3.2）外中斷0wr（p3.6）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通int1（p3.3）外中斷1rd（p3.7）外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通rst：復位輸入。當振蕩工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期上高電平將使單片機復位。wdt益出將使該引腳輸出高電平，設置sfr auxr 的 disrto 位（地址8eh）可打開或關閉該功能。disrto 位缺省為reset輸出高電平打開狀態(tài)。ale/prog：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出的正

24、脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目地，要注意的是：第當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位禁位后，只有一條movx 和movc指令ale才會被激活。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ale無效。psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89s51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次psen有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，高有兩次有效的psen信號。ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu公訪問外部程序存儲器（地

25、址0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。flash存儲器編程時,該引腳加上12v的編程電壓vpp。xtal1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。at89s51單片機內(nèi)部構造及功能：中斷寄存器：各中斷允許控制位于ie寄存器，5個中斷源的中斷優(yōu)先級控制位于ip寄存器。雙時鐘指針寄存器：為方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，提供了兩個16位數(shù)據(jù)指針寄存儲器：pd0位于sfr區(qū)塊中的地址82h、83h和dp1位于地

26、址84h、85h，當sfr中的位dps=0時選擇dp0,而dps=1時選擇dp1。在使用前初始化dps電源空閑標志：電源空閑標志（pof）在特殊功能寄存儲器sfr中pcon的第4位（pcon.4）,電源打開時pof置“1”,它可由軟件設置睡眠狀態(tài)并不為復位所影響。存儲器結構：mcs-51單片機內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結構，均具有64kb外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。程序存儲器：如果ea引腳接地（gnd），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在at89s51,假如接至vcc（電源），程序首先執(zhí)行從地址0000h0fffh（4kb）內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000hffffh（60kb）的外

27、部程序存儲器。數(shù)據(jù)存儲器：在at89s51的具有128字節(jié)的內(nèi)部ram，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進行，128字節(jié)均可設置為堆棧區(qū)空間?？撮T狗定時器（wdt）：wdt是為了解決cpu程序運行時可能進入混亂或死循環(huán)而設置，它由一個14bit計數(shù)器和看狗復位sfr（wdtrst）構成。外部復位時，wdt默認為關閉狀態(tài)，要打開wdt，必按順序將01h和0e1h寫到wdtrst寄存器，當啟動了wdt，它會隨晶體振蕩器在每個機器周期計數(shù)，除硬件復位或wdt溢出復位外沒有其它方法關閉wdt，當wdt溢出，將使rst引腳輸出高電平的復位脈沖。引腳圖詳見圖3-1圖3-

28、1at89s51引腳圖根據(jù)以上所講以及工業(yè)設計要求給出溫度檢測控制系統(tǒng)框圖3-2 圖3-2溫度檢測控制回路3.3溫度檢測與控制元件3.3.1 溫度檢測元件溫度傳感器的種類比較繁雜，各種不同的溫度傳感器由于其構成材料、構成方式及測溫原理的不同，使得其測量溫度的范圍、測量精度也各不相同。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。ptloo型鉑電阻，在-200到850范圍內(nèi)是精度最高的溫度傳感器之一。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的物理、化學性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。這些特點使得鉑電阻溫度傳感器具有信號強、精度高、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好的特點。由于在本系統(tǒng)

29、中，測溫范圍較大(在室溫到600oc之間)，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用pt100鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器主要有兩種類型:標準鉑電阻溫度傳感器和工業(yè)鉑電阻度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復現(xiàn)性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現(xiàn)性能。但是標準鉑電阻溫度傳感器也存在價格昂貴，維護起來較為困難等缺點。考慮到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級pt100鉑電阻作為溫度傳感器。鉑電阻測溫電路的工作方式一般分為恒壓方式和

30、恒流方式兩種。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種。本系統(tǒng)采用的是恒流四線制接法對pt100鉑電阻進行采樣。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖2所示。該電路將溫控箱的溫度轉化為電壓輸出。采用恒流四線制接法的測溫電路中需要用到一個穩(wěn)定的基準電壓源。本系統(tǒng)采用精密基準電壓源lm399h產(chǎn)生基準電壓，圖中參考電壓不認石尸即來自lm399h。基準電壓源電路如圖所示。lm399h是內(nèi)置恒溫槽高精度基準電壓源，輸出電壓6.9999v。它是迄今為止同類產(chǎn)品中溫度系數(shù)最低的器件，內(nèi)部有恒溫電路，保證了器件的長期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中基準電壓源產(chǎn)生的電壓不僅提供給鉑電阻采樣電路而且還提供給a/d轉換電路使

31、用。第二章pid控制與灰色控制理論2.1 pid控制原理 在工業(yè)生產(chǎn)過程中pid控制是一種比較普遍的控制方式，它是一種比例、積分、微分并聯(lián)的控制器。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-1 圖2-1理想的pid控制器根據(jù)給定值與實際輸出值構成的控制偏差) (2-1)將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 (2-2)式中控制器的輸出控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號；比例控制項，為比例系數(shù)；積分控制項，為積分時間常數(shù)；微分控制項，為微分時間常數(shù)。pid控制器個校正環(huán)節(jié)的作用：1.比例環(huán)節(jié)(p) 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，

32、以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。比例調(diào)節(jié)作用大小，除了與偏差有關外，主要取決與比例系數(shù)。越大，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)性能也越好；反之，越小，調(diào)節(jié)作用越弱。但對于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，太大，會引起自激振蕩。2.積分環(huán)節(jié)（i） 主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。隨著積分時間常數(shù)的減小，靜差在減?。坏^小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 3.微分環(huán)節(jié)（d）：主要作用是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度，反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏

33、差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)pid控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機pid控制中，使用的是數(shù)字pid控制器。pid控制規(guī)律在計算機中的實現(xiàn),是用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期t足夠短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，即可作如下近似變換： （2-3） 2-3式中t是采樣周期將連續(xù)pid系統(tǒng)的微分方程由相應的描述離散pid系統(tǒng)的差分方程來代替。為了書寫方面，將簡寫為，即為數(shù)字型pid位置算法，如

34、式所示 （2-4） 或 （2-5）式中采樣序號，；第次采樣時刻的計算機輸出值；第次采樣時刻輸入的偏差值；第次采樣時刻輸入的偏差值；積分系數(shù),；微分系數(shù)，；由式可得（2-6） 在計算機控制系統(tǒng)中，一般采用恒定的采樣周期t，當確定了，時，根據(jù)前后3次測量值偏差可由式 求出控制增量。由于它的控制輸出對應每次閥門的增量，所以稱為pid控制的增量式算式。2.2灰色預測基本原理2.2.1.灰色預測原理 信息完全明確的系統(tǒng)稱白色系統(tǒng)。信息完全不明確的系統(tǒng)稱黑色系統(tǒng)。信息中部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱灰色系統(tǒng)。灰色系統(tǒng)的方法是對系統(tǒng)進行分析、建模、預測、決策、規(guī)劃、控制的有效方法?；疑A測是用灰色模型進行定量

35、預測，灰色控制是指本征特性灰色系統(tǒng)的控制，或對系統(tǒng)中含灰參數(shù)的控制，或用 構成的預測控制。2.2.2.灰色模型（gm）利用較少的或不確切的表示灰色系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據(jù)序列,作為生成變換后建立的,用以描述灰色系統(tǒng)內(nèi)部事物連續(xù)變化過程的模型, 稱為灰色模型,簡稱gm?；疑碚搶伊?、灰過程的處理，不是找概率分布求統(tǒng)計規(guī)律；而是用生成的方法，求得隨機性弱化和規(guī)律性強化的新數(shù)列數(shù)據(jù)，稱為生成數(shù)；利用生成數(shù)建模是其重要特點之一?；疑煽煞譃槔奂由?、累減生成、初值化生成、均值化生成、歸一化生成等多種累加生成是灰色模型的主要研究方法之一。將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)進行整理和累加生成,變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)列,可以更好

36、地辨識出模型的不確定部分,并對模型參數(shù)進行預測。 （2-7） （2-8） 則稱的累加生成為記為 （2-9）2.3灰色控制結合灰色預測控制的pid控制器的系統(tǒng)原理框圖2-2 圖2-22.3.1灰色控制的理論基礎灰色系統(tǒng)理論是處理不確定量的有效途徑。它需要信息少，通用性好，計算方便。采用灰色系統(tǒng)的方法，對于不確定部分建立灰色模型，利用它來使控制系統(tǒng)中的灰量得到一定程度的白化，以提高控制質量及其魯棒性。設系統(tǒng)不確定部分符合匹配條件，即為包括兩部分：一部分與狀態(tài)成比例，一部分與狀態(tài)無關，具體可描述為 (2-10)式中 (2-11) (2-12)設及均為慢時間變量，可視及為常數(shù)。顯然，如果能辨識出及，則

37、可得出與，的關系，從而可估計出對應各狀態(tài)的不確定量?；疑到y(tǒng)的研究方法之一，就是將原始數(shù)據(jù)進行處理，稱為數(shù)的“生成”,其中累加生成由于它能弱化隨機性，增強規(guī)律性，因而它在灰色系統(tǒng)建模中，具有特殊的地位。 令為原始的離散時間函數(shù) (2-13)若 (2-14)則稱為的累加生成，記為 (2-15)按灰色系統(tǒng)理論，采用累加生成方法，可建立類似模型的灰色模型。令離散時間函數(shù)為 (2-16) (2-17) (2-18)式中，。設,為,的累加生成數(shù)列。將下述關系 (2-19)稱為不確定部分的灰色模型。 對于慢時變干擾部分，可認為 (2-20)記參數(shù)列為 (2-21)記數(shù)據(jù)矩陣為 (2-22) 采用最小二乘法

38、，若可逆，則有 (2-23)其中， (2-24) 將累加值還原,可得（5）式得估計模型 (2-25) 2.3.2 連續(xù)系統(tǒng)灰色控制 考慮由下列個非線性不確定子系統(tǒng)組成的復合非線性不確定系統(tǒng)： (2-26) (2-27)式中，為維矩陣，為維列向量。代表系統(tǒng)滿足匹配條件的不確定部分，包括參數(shù)不確定（與狀態(tài)成比例）和外干擾（與狀態(tài)無關）。 (2-28)不確定部分的無法直接測量，可由測量數(shù)據(jù)間接計算估出。離散化為 (2-29)式中，為采樣時間。 灰色控制算法的步驟為：第一步：采用控制，在控制器啟動過程中，首先采用灰色估計器對不確定部分的模型參數(shù)建立模型進行估計，其中控制算法為： (2-30)用灰色估計

39、器對不確定部分的模型參數(shù)建立模型的具體算法為：建立原始離散數(shù)列，其中； 計算一次累加生成數(shù)列，其中：； 計算數(shù)據(jù)矩陣，其必須可逆（即）；若不可逆，則應適應增加，直到可逆。 計算離散數(shù)列，。 計算離散數(shù)列，。 估計不確定部分的灰色模型的參數(shù)向量。 ， 第二步：按估計參數(shù)加上補償控制，估計器停止工作，灰色控制算法為： 。其中：第三章 灰色pid溫度控制系統(tǒng)的仿真仿真對象為： 將該傳遞函數(shù)轉化為狀態(tài)方程的形式：式中，。對象為二階傳遞函數(shù)，迭代次數(shù)可選，故可取。外加干擾取，取干擾參數(shù)，。采用灰色控制，經(jīng)過3個采樣時間，得到干擾參數(shù)估計值，圖1，圖2，圖3分別為不采用灰色預估補償?shù)目刂坪突疑刂频母櫿`

40、差、跟蹤誤差、跟蹤誤差變化率及。圖1 跟蹤誤差比較曲線圖2 跟蹤誤差變化率比較曲線圖3 比較曲線3.1灰色的位置跟蹤連續(xù)系統(tǒng)灰色位置跟蹤 考慮單輸入連續(xù)系統(tǒng)： 其中, ,式中，為維矩陣，為維矩陣，代表系統(tǒng)滿足匹配條件的不確定部分，它包括參數(shù)不確定與外干擾等。 取輸入信號為，令 控制律分為以下兩個階段。采用控制進行灰色預測 計算離散數(shù)列向量 在步后，即可估計出灰色模型的參數(shù)向量。 其中， 且有： 采用灰色控制加入補償控制，此時， 在第二階段，估計器停止工作?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)方程為： 采用帶有灰色估計器的補償控制： 不加灰色估計器，只用控制： 仿真程序及實現(xiàn) 仿真對象為： 將該傳遞函數(shù)轉化為狀態(tài)方程的

41、形式：式中，。對象為二階傳遞函數(shù)，迭代次數(shù)可選，故可取。外加干擾取，取干擾參數(shù)，。采用灰色控制，經(jīng)過200個采樣時間，得到干擾參數(shù)估計值。輸入信號為，圖4，圖5，圖6分別為不采用灰色預估補償?shù)目刂坪突疑刂频奈恢酶櫛容^效果。圖 4 位置跟蹤效果比較曲線 圖 5 位置跟蹤誤差比較曲線 圖6 比較曲線 灰色控制算法，對系統(tǒng)不確定部分建立灰色模型進行灰色預估補償，使灰色系統(tǒng)的灰量得到一定程度的白化。經(jīng)過仿真分析表明，灰色控制算法可以提高傳統(tǒng)的質量及魯棒性，改善系統(tǒng)性能，獲得較好的控制跟蹤效果。第四章 控制系統(tǒng)的硬件結構4.1系統(tǒng)總體方案設計 本系統(tǒng)由單片機at89c52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報

42、警電路、時鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件，功能強、精度高、硬件電路簡單。其硬件原理圖如圖4-1所示圖4-1在系統(tǒng)中，利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設定溫度比較，根據(jù)設定的pid算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進行準確計時4.2 89c52本系統(tǒng)選用atmel公司生產(chǎn)的at89系列單片機中的at89c52，at89c

43、52單片機是一種新型的低功耗、高性能的8位cm0s微控制器，與工業(yè)標準mcs一51指令系列和引腳完全兼容。具有超強的三級加密功能，其片內(nèi)閃電存儲器(flashmemory)的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程/擦除速度快。at89c52單片機dip封裝的引腳如圖4-2所示。at89c52的主要特點有:(l)內(nèi)部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器eeprom，容量skb，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量256字節(jié)，最大尋址空間64kb;(2)三個16位定時/計數(shù)器;(3)可利用兩根fo口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設定;(4)內(nèi)部rom中開辟了四個通用工作寄存器區(qū)，共32個通用寄存

44、器，以適應多種中斷或子程序嵌套的情況;(5)6個中斷源，分為兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級都是可編程的;(6)內(nèi)部有一個由直接可位尋址組成的布爾處理機，在指令系統(tǒng)中包含了一個指令子集，專門用于對布爾處理機的各位進行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題;(7)at89c52的狀態(tài)周期由晶體振蕩器2分頻后獲得，作為芯片工作的基本時間單位，在采用12mhz晶振時，atsge52的狀態(tài)周期為（2/12）*10-64-24.3 硬件電路設計4.3.1 系統(tǒng)電源 如圖4-34-34.3.2 溫度檢測電路 本系統(tǒng)采用的型（鎳鉻鎳硅）熱電偶，其可測量1312以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價格便宜。

45、型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉換成數(shù)字信號與cpu通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器濾波器放大器冷端補償線性化處理/d轉換”模式，轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片max6675來完成“熱電偶電勢溫度”的轉換，不需外圍電路、i/o接線簡單、精度高、成本低。 max6675是maxim公司開發(fā)的k型熱電偶轉換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測電路，自帶冷端補償，能將k型熱電偶輸出的電勢直接轉換成12位數(shù)字量，分辨率0.25。溫度數(shù)據(jù)通過spi端口輸出給單片機,其冷端補償?shù)姆秶?2080,測量范圍是01023.75。表為max6675

46、的引腳功能圖。引腳號名稱功能1gnd接地端2t-熱電偶負極（接地使用）3t+熱電偶正極4vcc電源端5sck串行時鐘輸入端6cs片選信號7sc數(shù)據(jù)串行輸出端8nc懸空表1圖4-4為本系統(tǒng)中溫度檢測電路。4-4 當p2.5為低電平且p2.口產(chǎn)生時鐘脈沖時，max6675的so腳輸出轉換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位d15，最后輸出的是低電位d0，d14-d3為相應的溫度轉換數(shù)據(jù)。當p2.5為高電平時，max6675開始進行新的溫度轉換。在應用max6675時，應該注意將其布置在遠離其它i/o芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；max6

47、675的t-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準確性。4.3.2時鐘電路 在系統(tǒng)中需要準確顯示升溫時間、恒溫時間等，因而選用了時鐘芯片ds12887構成定時電路來完成對時間的準確計時。ds12887具有時鐘、鬧鐘、12/24小時選擇和閏年自動補償功能；包含有10的時鐘控制寄存器、4的狀態(tài)寄存器和114的通用ram；具有可編程方波輸出功能；報警中斷、周期性中斷、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，ds12887的地址數(shù)據(jù)復用總線與單片機的p0口相連。通過定時器中斷，cpu每隔0.4秒讀一次ds1288

48、7的內(nèi)部時標寄存器，得到當前的時間，并送到液晶顯示器進行顯示。每當電阻爐從一個狀態(tài)轉入另一個狀態(tài)，cpu通過ds12887把時間清零，重新開始計時。此外，通過ds12887，還可以設定電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如圖4-5中4-54.3.3鍵盤顯示和報警電路本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機i/o口控制，可通過按鍵設定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現(xiàn)不同功能。顯示器選用點陣字符型液晶顯示器tc1602，系統(tǒng)中將擴展芯片8155的p0 口、pc.0pc.2口與tc1602接口相連，tc1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設定時間、實際時間等。如圖4-64-6報警電路是將單片機的i

49、/o口與驅動芯片mc1413相連，通過mc1413驅動蜂鳴器。如圖4-74-74.3.4控溫電路 控溫電路包括驅動芯片mc1413、過零型交流固態(tài)繼電器（z型ssr）。報警和控溫電路如圖4-7中所示。 z型ssr內(nèi)部含有過零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過零時，ssr才能導通；而控制信號斷開后，ssr在交流電正負半周交界點處斷開。也就是說，當z型ssr在1秒內(nèi)為全導通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為100hz；當z型ssr在1秒內(nèi)導通時間為0.5秒時，其被觸發(fā)頻率為50hz。在本系統(tǒng)中，采用灰色pid控制算法，通過改變z型ssr在單位時間內(nèi)的導通時間達到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。4.3.5 總圖4-74.4 軟件設計 在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導通和關斷；爐溫測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務程序實現(xiàn)定時測溫和讀取時間。流程圖如圖4-8所示。4-82.溫度采集流程圖 4-93灰色pid控制工作流程圖4-10總結溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)之一，準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。目前我國的溫度控制主要以傳統(tǒng)控制方式為主，精度不高，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振蕩。本文針對