基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的硬件設計

1、基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的硬件設計 摘 要本文針對溫度控制的特點，提出了單片機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計方法，同時也對溫度控制系統(tǒng)的控制過程做了理論分析，建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，提出了克服溫度控制系統(tǒng)中純滯后影響的控制方法。該單片機溫度控制系統(tǒng)由鍵盤、AD采樣、PWM控制與顯示四部分構(gòu)成。其中，鍵盤輸入給定溫度值；由AD574將采集的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機；通過PWM控制調(diào)節(jié)脈沖的寬度，從而獲得所需要的輸入與輸出電壓；最后由LED顯示給定溫度與檢測溫度值。溫度控制系統(tǒng)普遍存在大延時、純滯后的特性，常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)和震蕩，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，本設計采用史密斯預估器對系統(tǒng)進行純滯后補

2、償，以此消除系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定。文中給出了控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，確定了系統(tǒng)控制方案和控制系統(tǒng)的硬件電路框圖，本設計可直接應用于工業(yè)控制中。本設計通過PROTEUS軟件對系統(tǒng)的硬件進行仿真，通過MATLAB/SIMULINK的仿真結(jié)果驗證數(shù)字控制器設計的正確性。關(guān)鍵詞：溫度控制，單片機，純滯后，史密斯預估器The hardware design in temperature control system based on MicrocontrollerAbstractThis article narrates the hardware design in temperature cont

3、rol system. Aiming at temperature control problem which industry produce usually occurs. We can use the software and the hardware source of the single chip microcomputer (AT89C51) to check, control and display the temperature value on real-time. The settle temperature value is input by the keyboard.

4、 Here we make the system to follow this settle value,and finally to attain the purpose of automatic control.This temperature control system is mostly made of four parts which consists of the keyboard,AD sampling circuit, PWM control and LED real time display part.Among of them,keyboard inputs the se

5、ttle value.AD574 transforms the temperature into digital signal and sends it into single chip microcomputer.PWM control circuit regulates the width of pulse in order to attain input and output voltage that needed.At last, LED real time display part displays the settle value and detected value.The te

6、mperature control system usually contains great postpones and pure hysteresis characteristic which often causes the system to produce super surge and make its stability lower. The mathematics model has been given in this article in order to definite the control program and hardware electrocircuit di

7、agram of the system. This design may apply directly in the industrial cnntrol.This design use the PROTEUS to make a simulation of departments hardware ,passes MATLAB/SIMULINK to imitate the true fruit character controllers accuracy.Key word： The temperature control, microcontroller, pure hysteresis,

8、 Smith predictor目 錄前 言5第1章 溫度控制系統(tǒng)的方案確定71.1 系統(tǒng)設計的主要任務71.2 系統(tǒng)設計的要求7 1.3 系統(tǒng)設計的總體方案8第2章 溫度控制系統(tǒng)的控制器設計9 2.1 控制對象數(shù)學模型的建立9 2.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析10 2.3 控制對象的純滯后補償12 2.4 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設計13 2.4.1 PID概述13 2.4.2 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選定13 2.5 系統(tǒng)純滯后補償?shù)臄?shù)字化14 2.5.1 采樣周期T的選擇原則14 2.5.2 純滯后對象的控制算法大林算法15 2.6 系統(tǒng)PID數(shù)字控制器的設計17 2.7 溫度控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的

9、SIMULINK仿真19第3章 溫度控制系統(tǒng)的硬件設計22 3.1 硬件設計的原理22 3.2 系統(tǒng)輸入單元鍵盤的設計22 3.3 系統(tǒng)AD采樣單元的設計243.4 系統(tǒng)顯示單元設計263.5 PWM控制的基本原理27 3.6 單片機對PWM控制的實現(xiàn)28 3.7 復位電路的原理29 3.8熱電偶測溫電路303.9系統(tǒng)硬件原理圖31設計結(jié)論32英文文獻33中文翻譯36致 謝38參考文獻39 前 言溫度控制設備是工業(yè)生產(chǎn)中常見的控制設備之一，因此溫度控制是生產(chǎn)過程自動化的重要任務之一。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，燃料、控制方案也有所不同，例如冶金、機械、食品、化工等

10、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、電等。傳統(tǒng)的繼電器控制調(diào)溫電路簡單實用,但由于繼電器動作頻繁,其觸點因頻繁通斷而產(chǎn)生接觸不良而影響正常工作。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展,微機測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，利用微機對溫度進行測控得到日益發(fā)展和完善,且越來越顯示出其優(yōu)越性。如IGBT、晶閘管等電子器件的出現(xiàn)，采用主回路無觸點控制,克服了繼電器接觸不良的缺點,且維修方便。同時計算機技術(shù)的發(fā)展也使得新的控制方法得以實現(xiàn)，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等。而PID控制由于其結(jié)構(gòu)簡單、實用、價格低，被廣泛應用在工業(yè)過程控制中。同時溫度

11、控制系統(tǒng)的控制器也多采用PID控制。單片機即簡稱單片微型計算機，它是微型計算機發(fā)展的產(chǎn)物，自產(chǎn)生到現(xiàn)在已有30余年。微型計算機出現(xiàn)以后，計算機硬件系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展，通用微處理以驚人的速度更新，出現(xiàn)了許多性能極佳的通用微型計算機系統(tǒng)。單片機就是微型計算機發(fā)展的一個重要的分支，應用面廣，發(fā)展很快，其發(fā)展大致經(jīng)歷了3個歷史階段：1974-1978年，為初級單片機階段。第一代單片機始于1974年，以INTEL公司的MCS-48系列為代表，其特點是采用專門的結(jié)構(gòu)設計，這個系列的單片機在片內(nèi)集成了8位CPU、并行I/O端口、8位定時器/計數(shù)器、RAM、ROM等。沒有串行I/O端口，中斷處理也比較簡單，

12、片內(nèi)RAM、ROM的容量較小，且尋址范圍小于4KB。1978-1983年，為高性能單片機階段。第二代單片機以INTEL公司的MCS-51系列為代表，其技術(shù)特點是完善了外部總線，并確立了單片機的控制功能。外部總線規(guī)范化為16位地址總線，用以尋址的外部64KB的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間，8位數(shù)據(jù)總線及相應的控制總線，形成了完整的并行三總線結(jié)構(gòu)。同時還提供了多機通信的串行I/O端口、16位定時器，具有多級的中斷處理，片內(nèi)的RAM和ROM容量大，有的片內(nèi)還帶A/D。從1983年至今，為8位單片機的鞏固提高階段，是完善16位單片機及32位和64位單片機的研制階段。單片機有以下主要特點：1低功耗。一般單

13、片機都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源已由從5V降低到3V、2V甚至1V左右，0.9V供電的單片機已經(jīng)問世，工作電流也從毫安降到微安級。2抗工業(yè)噪聲干擾能力強，可靠性高。單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，適應溫度范圍寬，能在惡劣環(huán)境條件下可靠的工作，這也是其他機種無法比擬的優(yōu)點之一。3系統(tǒng)擴展性能強。有供擴展外部電路用的三總線結(jié)構(gòu),以方便構(gòu)成各種應用系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)涉及多種外部設備或系統(tǒng)的互連和通信，有必要在單片機與外部芯片之間插入有通信功能的接口總線。一直以來，單片機沒有自己的總線標準，通常是由著名廠家推出自己產(chǎn)品時配套

14、設計的，例如MCS51系列單片機就設計有完整的三總線結(jié)構(gòu)（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB）。后來根據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡及多機系統(tǒng)的需要出現(xiàn)了串行、并行接口總線，可以方便的實現(xiàn)多機和分布式控制，構(gòu)成各種規(guī)模地多機系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)，使系統(tǒng)的效益和規(guī)模大為提高。4壽命長。這里說的壽命長，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠的工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器（MPU）相比的壽命長。隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短時間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機已經(jīng)二十多歲了，產(chǎn)量仍然是上升的。這一方面是由于其在相應應用領(lǐng)域的適應性，另一

15、方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能模塊的新單片機系列層出不窮。第1章 溫度控制系統(tǒng)的方案確定在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。1.1系統(tǒng)設計的主要任務本設計的控制對象為一電加熱爐，輸入為加在電阻絲兩端的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。控溫范圍為0800，要求實時顯示當前溫度值、控制精度為5%，所采用的溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控

16、溫度的范圍和精度等級有關(guān)。鎳鉻/鎳硅熱電偶適用于0-1000的溫度檢測范圍，通過溫度變送器將傳感器的采樣信號轉(zhuǎn)換成0-5v的標準信號，送至12位AD轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換。溫度控制系統(tǒng)普遍存在大延時、純滯后的特性，被控對象的這種特性會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Smith預估器從理論上解決了純滯后系統(tǒng)的控制問題，本文采用一個帶Smith預估器的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效抑制純滯后的影響。溫度控制采用PID控制算法，為實現(xiàn)高精度控制的要求，采用PWM方式的電源控制，通過控制大功率電力電子器件IGBT的導通和關(guān)斷時間實現(xiàn)對給定電壓的控制，從而保持設定的溫度基本不變，達到自動控制的目的。用鍵盤輸入溫度給定值，采

17、用LED靜態(tài)顯示溫度值，以方便人工監(jiān)視。1.2 系統(tǒng)設計的要求工業(yè)電熱爐常用溫度一般在幾百攝氏度，對溫度控制精度要求較高，熱電偶是測溫的一次儀表，對它的選擇將直接影響檢測精度。目前測溫常選用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶，它具有較好的溫度-熱電勢的線性度，本系統(tǒng)采用帶變送器的溫度測量設備，溫度范圍為0-800其輸出為0-5V的電壓信號。同時系統(tǒng)對每個溫度階段的時間溫度值有嚴格的要求，用常規(guī)的方法控制難以達到滿意的控制效果，為達到高精度控制的要求，用單片機實現(xiàn)對爐溫的實時控制，每個爐的溫度控制精度5%。另外，考慮到8位ADC0808的分辨率比較低，所以在該系統(tǒng)中采用12位AD轉(zhuǎn)換器AD574，其分辨率達到

18、了1/212 =1/4096,即為800/4096=0.1953，從而可以保證系統(tǒng)的控制精度。本系統(tǒng)需完成的設計內(nèi)容如下：1、項目的總體設計說明；2、控制對象的特性分析與單片機硬件總體方案設計；3、單片機硬件設計說明與硬件仿真（用PROTEUS為設計電路仿真）；4、硬件電路及其它控制電路的設計與仿真；5、控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)仿真（與軟件設計人員共同完成）。1.3系統(tǒng)設計的總體方案閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)一般由三部分組成：溫度傳感器、溫度控制器和執(zhí)行器。溫度傳感器采集受控對象的溫度，控制器為帶Smith預估器的PID控制器，執(zhí)行器為由IGBT可關(guān)斷大功率電子器件組成的PWM控制電路。在本設計中，整個系統(tǒng)的控制工

19、作是在單片機控制下實現(xiàn)的。系統(tǒng)的被測參數(shù)主要是溫度，電阻爐的溫度值由熱電偶測定后得到毫伏級電壓信號，經(jīng)過溫度變送器放大濾波后變?yōu)?5V的標準電壓信號，再送到采樣/保持器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號進入單片機（AT89C51），在單片機進行數(shù)據(jù)處理時，一方面，與所設定的期望溫度值進行比較后，產(chǎn)生偏差信號，單片機根據(jù)預定的PID算法計算出相應的控制量實現(xiàn)對PWM輸出功率的控制，要求控制精度達到系統(tǒng)控制性能的指標。為實現(xiàn)高精度的控制，采用PWM方式的電源控制，通過控制大功率電力電子器件IGBT的導通和關(guān)斷時間實現(xiàn)對給定電壓的控制，從而控制溫度穩(wěn)定在設定值上，同時送至LED數(shù)碼管顯示檢測溫

20、度值，溫度控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1.1所示。 電阻爐熱電偶 單片機AT89C51溫度變送器 AD1674PWMIGBT整流器交流電源圖1.1 溫度控制系統(tǒng)的總體框圖第2章 溫度控制系統(tǒng)的控制器設計2.1 控制對象數(shù)學模型的建立 常見的溫度控制對象的傳遞函數(shù)模型為： G(S)= (2.1)式中K為放大系數(shù)， 為滯后時間,T為慣性時間常數(shù)。本系統(tǒng)的對象的=20,k=1,T=50,即電阻爐的傳遞函數(shù)為G(S)= (2.2)常規(guī)的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：D（s）R（S）Y（s）+- 圖2.1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設被控對象的傳遞函數(shù)為 (2.3)其中為不包含純滯后特性的部分，由圖2.2可知系統(tǒng)的閉環(huán)

21、傳遞函數(shù)為 （2.4）則系統(tǒng)的特征方程為 （2.5）2.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象常常存在程度不同的純滯后，以換熱器為例，被控量是被加熱物料的出口溫度，而控制量是熱介質(zhì)，當改變熱介質(zhì)的流量后，由于熱介質(zhì)通過管道輸送需要時間，因而對物料出口溫度的影響必然要產(chǎn)生滯后。此外，如化學反應、管道混合、皮帶傳送、軋輥傳輸、多個容器串聯(lián)以及用分析儀表測量流體的成分等，都存在不同程度的純滯后。純滯后過程的存在降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的原因分析如下：（1）由測量信號提供不及時，會導致調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)作用不及時，影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。（2）由控制介質(zhì)的傳輸而產(chǎn)生的純滯后，會導致執(zhí)行器的調(diào)節(jié)動作不能及時影響調(diào)

22、節(jié)效果。（3）純滯后的存在使系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性的相角滯后隨頻率的增大而增大，從而使開環(huán)頻率特性的中頻段與（-1，j0）點的距離減小，結(jié)果導致閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度下降。若要保證其穩(wěn)定裕度不變，只能減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，同樣導致調(diào)節(jié)質(zhì)量的下降。式（2.5）中包含有純滯后環(huán)節(jié)，會導致系統(tǒng)對控制指令的反應不及時，引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或震蕩，尤其當比較大時，系統(tǒng)會不穩(wěn)定，所以純滯后系統(tǒng)采用常規(guī)的反饋控制方法（常規(guī)PID控制、微分先行控制及中間微分反饋控制等）往往難以取得顯著效果，因此，為了克服純滯后對系統(tǒng)的影響，在本設計中我們運用史密斯預估器對系統(tǒng)進行純滯后補償。還可以用奈氏判據(jù)3來分析本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，純滯后

23、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示：G1(S) 圖2.2 純滯后系統(tǒng)的框圖圖2.2所示系統(tǒng)的特征方程為 1+ G1(S) =0 即 1/50S+1= 在沒有滯后因子時，系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)等幅震蕩的條件是：G1(jw)=-1。由上式可知，非滯后系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定點是（-1，j0），而具有滯后因子的系統(tǒng)，其臨界穩(wěn)定狀態(tài)不是一個點，而是一條臨界軌線-。把G1(jw)和-的奈氏圖同時畫在圖中如下圖2.3所示，并設這兩條曲線的交點為A。根據(jù)G1(jw)=1的條件，求出G1(jw)曲線上對應的角頻率w=0.497；而在-曲線上對應的w=0.90711。因為點A即在G1(jw)曲線上，又在-曲線上，所以它們應用相同的角頻率，即有

24、 0.497=0.90711 于是求得 =1.82。 A 圖2.3由圖2.3可知，當大于1.82S時，在單位圓上的臨界點就被G1(jw)曲線包圍，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當小于1.82S時，G1(jw)曲線不包圍臨界點，對應的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而本系統(tǒng)的等于20S，故本系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此常規(guī)的調(diào)節(jié)器D（S）很難使閉環(huán)系統(tǒng)獲得滿意的控制性能。2.3 控制對象的純滯后補償由自動控制理論知，純滯后的存在使得被控量不能及時地反映系統(tǒng)所承受的擾動，延長了調(diào)節(jié)時間，從而產(chǎn)生明顯的的超調(diào)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當滯后時間比較小時，可以采用PID控制，當純滯后時間比較大時，常規(guī)的PID控制很難得到較好的控制效果。人們針對純滯后的

25、被控對象，提出了各種各樣的控制方法，smith預估器就是一種廣泛應用的純滯后系統(tǒng)的控制方法。該方法的基本思路是:預先估計出系統(tǒng)在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預估器對時滯進行補償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器,使調(diào)節(jié)器提前動作，從而抵消掉時滯特性所造成的影響：減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并加速調(diào)節(jié)過程，提高系統(tǒng)的快速性。史密斯預估器的原理如圖2.3所示圖2.3 補償器轉(zhuǎn)化圖圖中D（S）是調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，GP(S) 是被控對象的傳遞函數(shù)，GP(S)是被控對象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，是被控對象純滯后部分的傳遞函數(shù)，與D（S）并聯(lián)的環(huán)節(jié)就是補償環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為GP (S)（1-），

26、用來補償對象的純滯后部分，稱為smith預估器。1 由smith預估器和調(diào)節(jié)器D(S)組成的補償回來稱為純滯后補償器，其傳遞函數(shù)為 (2.6)補償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2.7) 從上式可以看出，經(jīng)smith預估器補償后，純滯后環(huán)節(jié)被移到閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。純滯后環(huán)節(jié)只起到延遲的作用，把控制系統(tǒng)作用在時間坐標軸上推遲了時間，而對系統(tǒng)的過渡過程以及其他性能指標沒有任何作用，消除了純滯后部分對控制系統(tǒng)的影響。另外，由拉氏變換的平移定理得知，系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的形狀和其他性能指標與對象特性G（s）不包含純滯后特性時完全相同，只是在時間軸上滯后了時間。2.4 系統(tǒng)PID調(diào)

27、節(jié)器的設計2.4.1 PID概述PID控制器由比例單元（P），積分單元（I），和微分單元（D）組成，它的基本原理比較簡單，基本的PID控制規(guī)律可描述為： GC（S）= （2.8）PID控制用途廣泛，使用靈活，已有系列化的控制器產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)、即可。PID控制具有以下優(yōu)點：原理簡單，使用方便，PID參數(shù)、和可以根據(jù)動態(tài)特性及時調(diào)整，適應性強，其控制品質(zhì)對控制對象特性的變化不太敏感。PD控制器的傳函為：GC(S)=KP(1+TDS)；PI控制器的傳遞函數(shù)為：GC(S)=KP 。由它們的傳遞函數(shù)可知，PD控制器是 一種超前校正裝置，PI控制器屬于滯后校正裝置，所以兼有PI和PD特點的P

28、ID控制器有著超前滯后的作用，它的傳遞函數(shù)為 GC(S)=KP (1+ +TdS ) （2.9）2.4.2 系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選定在選定系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)之前，先要知道PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。（1）比例控制對系統(tǒng)性能的影響a對動態(tài)性能的影響：比例控制加大，使系統(tǒng)的動作靈敏、速度加快；偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；當太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。b對穩(wěn)定特性的影響：加大比例控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大只能減小誤差，卻不能完全消除誤差。（2）積分控制對控制性能的影響 a對動態(tài)特性的影響：積分控制通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降

29、，太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；偏小，震蕩次數(shù)較多；太大，對系統(tǒng)性能的影響減小。當合適時，過渡過程比較理想。b對穩(wěn)態(tài)性能的影響：積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但太大，積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制對控制性能的影響微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量的減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間長；當偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID調(diào)節(jié)器

30、參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)，這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法，利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3

31、)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。本系統(tǒng)的參數(shù)的選擇，主要是依賴與工程經(jīng)驗，有大量的實驗可知，對于本系統(tǒng)的PID參數(shù)選擇如下： = 6.0 , = 0.15, = 4.0。2.5 系統(tǒng)純滯后補償?shù)臄?shù)字化2.5.1 采樣周期T的選擇原則 采樣周期T在計算機控制中是一個重要參量，必需根據(jù)具體情況來選擇。(1) 必須滿足采樣定理的要求。從信號的保真角度看，采樣周期必須滿足香農(nóng)采樣定理，即采樣角頻率WS2W max, W max是被采樣信號的最高頻率，因為WS = ，所以，根據(jù)采樣定理可以確定采樣周期上限值，T。對于隨動系統(tǒng)來說，有經(jīng)驗公式WS10WC。（2）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干

32、擾的性能來看，則T小些好。干擾頻率越高，則采樣頻率最好越高，以便實現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。（3）根據(jù)被控對象的特性，快速系統(tǒng)的T應取小些，反之，T可取大些。（4）根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的類型，當執(zhí)行機構(gòu)動作慣性大時，T應取大些。否則，執(zhí)行機構(gòu)來不及反應控制器輸出值的變化。（5）從計算機的工作量及每個調(diào)節(jié)回路的計算成本來看，T應取大些。T大，則每個回路的計算控制工作量相對減少，可以增加控制的回路數(shù)。（6）從計算機能精確執(zhí)行控制算式來看，T應取大些。因為計算機字長有限，T過小，偏差值e(k)可能很小，甚至為零，調(diào)節(jié)作用減弱，各微分、積分作用不明顯。本系統(tǒng)電爐的傳遞函數(shù)為G（S）=，根據(jù)經(jīng)驗，采樣周期T取為

33、1s。2.5.2 純滯后對象的控制算法大林算法在一些實際工程中，經(jīng)常遇到純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們的滯后時間比較長。對于這樣的系統(tǒng)，往往允許系統(tǒng)存在適當?shù)某{(diào)量，以盡可能地縮短調(diào)節(jié)時間。人們更感興趣的是要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或只有很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束，也就是說，超調(diào)是主要的設計指標。對于這樣的系統(tǒng)，用一般的隨動系統(tǒng)設計方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。針對這一要求，IBM公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對象的控制算法，其目標就是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。被控對象為帶有

34、純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 ， 其中為被控對象的時間常數(shù)，為被控對象的純延遲時間，為了簡化,取其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)5，即 （2.12）由于一般控制對象均與一個零階保持器相串聯(lián)，所以相應的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為 （2.13）于是脈沖傳遞函數(shù)為 （2.14）D(z)可由計算機程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對象有關(guān)。當被控對象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時，由式（2.12）的傳遞函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為 ： （2.15） 將此式代入式(2.14)可知 (2.16) 式中： T采樣周期； 被控對

35、象的時間常數(shù)； 閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。 在本設計中，取采樣周期為5S,而系統(tǒng)的時間常數(shù)取20S.根據(jù)以上分析我們可以計算出控制器D（Z）： （2.17）在計算機控制系統(tǒng)中,在計算的D（Z）時已經(jīng)把采樣與保持環(huán)節(jié)考慮在內(nèi)，故有計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示：R(T)C(T) 圖2.4 系統(tǒng)的計算機控制框圖2.6系統(tǒng)PID數(shù)字控制器的設計PID控制算法的模擬表達式為 （2.18）式中，u(t)-調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)-偏差信號（給定量與輸出量之差）；-比例系數(shù)；-積分時間常數(shù)；-微分時間常數(shù)。由于計算機系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，為了使計算機能實現(xiàn)式（2

36、.18），必須將其離散化，用離散的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。連續(xù)的時間離散化，即 t=KT (K=0,1,2,n) （2.19）積分用累加求和近似得 (2.20)微分用一階后向差分近似得 （2.21）式中，T為采樣周期；e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值；e(k-1)為系統(tǒng)第(k-1)次采樣時刻的偏差值；k為采樣序號，k=0,1,2將式(2.20)和(2.21)代入(2.18)，則可得到離散PID表達式為 （2.22）若以傳遞函數(shù)的形式表示，則為 （2.23）式中，u(s)為調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(s)為調(diào)節(jié)器的偏差信號； 為比例系數(shù)，；為微分系數(shù)，；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。

37、如果采樣周期T取得足夠小，該算式可以很好地逼近模擬PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。由于（2.23）表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置一一對應，所以，通常把式（2.23）稱為PID的位置式控制算法或位置式PID控制算法。如果在式（2.23）中，令 ， 則有 （2.24） 此即為離散化的位置式PID控制算法的編程表達式。當進行控制時，、可先分別求出并放在指定的內(nèi)存單元中，則可實現(xiàn)式（2.24）。由式（2.24）可以看出,每次輸出與過去的所有狀態(tài)有關(guān),要想計算u(k),不僅涉及e(k)和e(k-1),且須將歷次e(k)相加，計算復雜，浪費內(nèi)存。下面，來推導計算較為簡單的遞推算式。為

38、此，對式（2.24）作如下變動：考慮到第k-1次采樣時有 （2.25）使式(2.24) 兩邊對應減去式（2.25），得= (2.26)式（2.26）就是PID位置式算式的遞推形式，是編程時常用的形式之一。由于K，T均為常數(shù)，所以、也均為常數(shù)。通過上述推導，似乎PID控制算法的程序設計并不復雜，只要將給定值與每次所得到的溫度檢測值相減，得到偏差e（k）,在與上次偏差e(k-1) (設初始值為0)相減，得到e（k）-e(k-1)，又通過上次偏差e(k-1)與前次偏差e(k-2)（初始值也設為0）相減,得到e(k-1)-e(k-2).根據(jù)（2.26）可知，有了e（k），e（k）-e(k-1) ，e(

39、k-1)-e(k-2)及、三個常數(shù)，通過計算可得到U（K），然而，事實上，運算并非那么簡單，這是由于e（k），e（k）-e(k-1) ，e(k-1)-e(k-2)均可能為正或負。52.7 溫度控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器的SIMULINK仿真SIMULINK仿真環(huán)境是美國MathWorks軟件公司專門為MATLAB設計提供的結(jié)構(gòu)圖編程與系統(tǒng)仿真的專用軟件工具，該仿真環(huán)境下的用戶程序其外觀就是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，操作就是根據(jù)結(jié)構(gòu)圖作系統(tǒng)仿真。利用SIMULINK提供的輸入信號（信號源模塊）對結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵，利用SIMULINK提供的輸出裝置（輸出口模塊）獲得系統(tǒng)的輸出響應，即數(shù)據(jù)或時間響應曲線

40、，成為圖形化、模塊化方式的控制系統(tǒng)仿真。SIMULINK不僅提供了各種標準的結(jié)構(gòu)圖模塊庫，提供了開放的結(jié)構(gòu)圖模塊設計方法，便于用戶設計自己的專用模塊，還提供了幾種系統(tǒng)文件的設計方法，使得系統(tǒng)仿真工作更加方便靈活。受控對象所構(gòu)造的數(shù)學模型是基于某些假設條件，忽略了一些非必要因素，使用了簡化的數(shù)學方法而構(gòu)造出來的?？刂葡到y(tǒng)的仿真方法簡單、方便、靈活、多樣；仿真實驗的成本低，通常在實驗室就可以完成；仿真結(jié)果充分，可以得到有關(guān)系統(tǒng)設計的大量的、充分的曲線與數(shù)據(jù)。67下圖是本設計在SIMULINK仿真環(huán)境下的仿真接線圖(圖2.7)和仿真結(jié)果(圖2.8)，加史密斯預估器和不加史密斯預估器的以比較史密斯預估

41、器在本系統(tǒng)中的作用。PID控制器的仿真方框圖：圖2.7 SIMULINK仿真接線圖加有預估器的輸出波形： 圖2.8 加預估器的系統(tǒng)仿真圖未加預估器的輸出波形： 圖2.9 不加預估器的系統(tǒng)仿真圖 離散系統(tǒng)的仿真的方框圖如下： 圖2.10 離散系統(tǒng)的仿真的方框圖用示波器觀察其輸出波形如下： 圖2.11 離散系統(tǒng)的仿真波形仿真結(jié)果分析：（1） 大林離散系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析圖中橫坐標為時間軸，縱坐標為溫度顯示。從圖2-11離散系統(tǒng)的仿真可以看出，系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，并且能夠很快的達到穩(wěn)定狀態(tài)。（2）帶預估器的仿真結(jié)果分析超調(diào)為2.2%，調(diào)節(jié)時間為160S，針對本系統(tǒng)的對象具有大慣性，大延時的特點，從控制效果

42、的角度看，都在系統(tǒng)可以承受的范圍內(nèi)，短時間內(nèi)系統(tǒng)就達到了穩(wěn)定。在400秒時給系統(tǒng)加上一個擾動，系統(tǒng)雖然受到了一些影響，但短時間內(nèi)就恢復到了正常的溫度輸出。由此可見系統(tǒng)的抗擾動性是相當強的。（3）不帶預估器的仿真結(jié)果分析本設計是溫度控制系統(tǒng)，存在大延時、純滯后特性。被控對象的這種純滯后特性常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。圖2-9中,從不加史密斯預估器的部分我們可以明顯的看出系統(tǒng)發(fā)生了強烈的震蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定?？梢娛访芩诡A估器在完全可以改善延時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由上述可知，本系統(tǒng)的PID參數(shù)選擇，預估器的應用完全正確。第3章 溫度控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 硬件設計的原理該溫度控制系統(tǒng)采用了

43、AT89C51型單片機，使硬件設計的工作量大大減少，接下來只剩下三個部分需要進行具體的硬件電路設計。（1）鍵盤輸入單元；（2）AD采樣轉(zhuǎn)換單元；（3）LED顯示部分。在具體的設計過程中，需要闡述這三個部分的詳細工作原理，并畫出相應的電氣原理圖，可使用PROTEUS軟件進行封裝和調(diào)試。在進行硬件設計時，應充分考慮到熱電偶及溫度變送器的惡劣工作環(huán)境，同時注意選擇高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，以保證系統(tǒng)的精度要求。3.2 系統(tǒng)輸入單元鍵盤的設計在一般的計算機操作中，命令和數(shù)據(jù)是由鍵盤輸入的，在本設計中給定值也由鍵盤完成。在單片機應用系統(tǒng)中要想做到既能即時響應鍵操作，又不過多的占用CPU的工作時間，就要根據(jù)應

44、用系統(tǒng)中的CPU的忙閑情況，選擇適當?shù)逆I盤操作工作方式。鍵盤的工作方式通常有程序掃描方式和中斷掃描方式兩種，由于程序掃描方式要CPU不斷的掃描鍵是否按下，需要占用大量的CPU時間，加之本系統(tǒng)的CPU要完成大量的其他運算，故本系統(tǒng)采用中斷方式。在單片機系統(tǒng)中鍵盤中按鈕數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，常常將按鈕排列成矩陣形式，如圖3.1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鈕加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就能組成4*4=16個按鈕，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就能組成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多

45、出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。在本設計中需要12個控鍵，故可以用3*4鍵盤來設計，用P1.0-P1.3作列線，用P1.4-P1.6作行線。5圖3.1 矩陣式鍵盤示意圖 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鈕沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下。具體的識別及編程辦法如下所述。矩陣式鍵盤的按鈕識別辦法多使用“

46、行掃描法”，行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鈕識別辦法，介紹過程如下：判斷鍵盤中有無鍵按下時將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)，只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鈕之中；若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。辦法是依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平，在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鈕就是閉合的按鈕。 下面給出一個具體的例程12，圖仍如3.1所示，803

47、1單片機的P1口用作鍵盤I/O口，鍵盤的列線接到P1口的低4位，鍵盤的行線接到P1口的高4位。列線P1.0-P1.3分別接有4個上拉電阻到正電源+5V，并把列線P1.0-P1.3設置為輸入線，行線P1.4-P.17設置為輸出線，4根行線和4根列線形成16個相交點。檢測當前是否有鍵被按下的方法是P1.4-P1.7輸出全“0”，讀取P1.0-P1.3的狀態(tài)，若P1.0-P1.3為全“1”，則無鍵閉合，不然有鍵閉合。當檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。若有鍵被按下，應識別出是哪一個鍵閉合，方法是對鍵盤的行線進行掃描，P1.4-P1.7按下述4種組合依次輸出： P1.7 1 1 1

48、0P1.6 1 1 0 1P1.5 1 0 1 1P1.4 0 1 1 1在每組行輸出時讀取P1.0-P1.3，若全為“1”，則表示這一行沒有鍵閉合，不然有鍵閉合，由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值。為了保證鍵每閉合一次CPU僅作一次處理，必須消除鍵釋放時的抖動。圖3.2所示為PROTEUS仿真的鍵盤接口電路，該電路中只要將P1.6-P1.4輸出全0，開放所有行的鍵后，CPU可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他的任務，而不用重復調(diào)用鍵盤掃描程序。當鍵盤上有任一鍵按下時，均可向CPU申請中斷，CPU響應中斷請求后，在中斷服務程序中掃描鍵盤判按鍵的行列值，以形成

49、鍵值號。 圖3.2 鍵盤接口電路3.3 系統(tǒng)AD采樣單元的設計溫度檢測元件和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍和精度等級有關(guān)，鎳鉻/鎳鋁傳感器適用于01000的溫度檢測范圍。利用這種溫度傳感器完成溫度的測量，把轉(zhuǎn)換的溫度值的模擬量送入AD1674的其中一個通道進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果與給定溫度進行比較通過控制算法之后再送入數(shù)碼管顯示。AD1674是逐次逼近式的12位A/D轉(zhuǎn)換器，為單端輸入模擬電壓，可在10VIN和20VIN中任一端和AGND之間輸入單極性電壓或者雙極性電壓，輸入模擬電壓的極性不同其輸入的電路也不同。AD1674的數(shù)據(jù)輸出線也有三態(tài)輸出門，可直接接數(shù)據(jù)總線。但是，它是12位輸

50、出，就有一個A/D輸出數(shù)位和總線數(shù)位的對應關(guān)系問題。如果AD1674直接接到12位或16位的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，可以接8位數(shù)據(jù)總線，按字節(jié)分時讀出。此時將DB4DB11接數(shù)據(jù)總線D0D7,而低四位管腳接到高四位上去。通過控制信號A0來區(qū)別，當A0=0時，則允許高8位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，而當A0=1時，高8位被禁止，低四位呈現(xiàn)，其余各位為0，這樣CPU執(zhí)行兩條輸入指令就可以將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)讀入。A/D轉(zhuǎn)換器是在CPU控制下工作的，即有CPU發(fā)出啟動信號。啟動信號有電平信號和脈沖信號兩種啟動方式，而本設計中用的AD1674是采用的脈沖啟動，通過讀或?qū)懶盘柣虺绦蚩刂频玫阶銐驅(qū)挾鹊拿}沖信號。A/D裝換結(jié)束時，A

51、/D轉(zhuǎn)換芯片輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有兩種:一種是電平信號,一種是脈沖信號，CPU檢測到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號即可讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，CPU一般可采取三種方式和A/D轉(zhuǎn)換器進行聯(lián)絡來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取。這三種方式為程序查詢方式、中斷方式、固定的延遲程序方式。三種方式中當A/D轉(zhuǎn)換時間較長時，宜采用中斷方式，當A/D轉(zhuǎn)換時間較短時，宜用查詢方式或延遲方式。圖3.2所示即為系統(tǒng)AD采樣單元接線圖,由于本系統(tǒng)中只有1路模擬量輸入，故CBA對應的通道地址為000，直接接地。ALE（START）由P3.6控制，EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號由P3.5口來檢測，讀允許EO接高電平。由于軟件功能原因，溫度傳感器經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換到0

52、-5V的信號，由滑動變阻器代替。圖3.2 系統(tǒng)AD采樣接線圖3.4 系統(tǒng)顯示單元設計在單片機的應用系統(tǒng)中，通常使用LED和LCD來觀察和監(jiān)視單片機的運行情況以及顯示運行的中間結(jié)果及狀態(tài)等信息，因此，顯示器也不可缺少的外部設備之一。顯示器的種類有很多中，在單片機應用系統(tǒng)中常用的有LED，LCD，它們具有功耗低，成本少，配置簡單，方便靈活，安裝方便，耐振動，壽命長等優(yōu)點。本設計由于只用于簡單的數(shù)值顯示，故采用LED顯示器，考慮到動態(tài)顯示時由于系統(tǒng)運算量大會出現(xiàn)閃爍，本設計采用LED的靜動態(tài)顯示方式時，位選碼端口由LS138譯碼器輸出選擇要顯示的字符，當要顯示某位時只要將該位對應的位選送低電平即可。P2口送待顯示字符的代碼，譯碼器送出不同的位掃描碼。這種顯示方式不