計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)之電阻爐溫度控制系統(tǒng)

1、武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書摘要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)囟瓤刂葡到y(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等要求越來越高，控制系統(tǒng)也千變?nèi)f化。電阻爐廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)， 其溫度控制通常采用模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行調(diào)節(jié)，但存在著某些固有的缺點(diǎn)。而采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可大大地提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平， 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。本設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)為核心控制器件，以ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器件，采用閉環(huán)直接數(shù)字控制算法，通過控制可控硅來控制熱電阻，進(jìn)而控制電爐溫度，最終設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足要求的電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)。關(guān)鍵字：電阻爐 89C51單片機(jī) 溫度控制 A/D轉(zhuǎn)換 電阻爐溫度控

2、制系統(tǒng)1系統(tǒng)的描述與分析1.1系統(tǒng)的介紹該系統(tǒng)的被控對(duì)象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓杩刂破鬏斎霝?5伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0500，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為05伏，對(duì)象的特性為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，這里慣性時(shí)間常數(shù)取T130秒，滯后時(shí)間常數(shù)取10秒。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的選擇與設(shè)定，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)中，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差。對(duì)此偏差按PID規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，得出對(duì)應(yīng)的控制量來控制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)

3、節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度智能控制，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進(jìn)行PID控制和鍵盤終端處理（各參數(shù)數(shù)值的修正）及顯示。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否則會(huì)使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣，不但執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能反應(yīng)，而且計(jì)算機(jī)的利用率也大為降低；采樣周期不能太長(zhǎng)， 否則會(huì)使干擾無法及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。1.2技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)基于閉環(huán)直接數(shù)字控制算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下：1.電阻爐溫度控制在0500；2. 加熱過程中恒溫控制，誤差為±2；3. LED實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為1；4. 采用直接數(shù)字控制算法，要求誤差小，

4、平穩(wěn)性好；2方案的比較和確定方案一系統(tǒng)采用8031作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號(hào)由熱電偶檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再送到8031內(nèi)部進(jìn)行判斷或計(jì)算。從而輸出的控制信號(hào)來控制鍋爐是否加熱。但對(duì)于8031來說，其內(nèi)部只有128個(gè)字節(jié)的RAM，沒有程序存儲(chǔ)器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對(duì)8031進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲(chǔ)器，外擴(kuò)時(shí)占用的I/O口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。方案二系統(tǒng)采用89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對(duì)爐溫的控制和鍵盤顯示功能。8051片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM

5、作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時(shí)，只需要外擴(kuò)一個(gè)容量較小的程序存儲(chǔ)器，占用的I/O口減少，同時(shí)也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本。因此89C51可以完成設(shè)計(jì)要求。綜上所述的二種方案，該設(shè)計(jì)選用方案二比較合適。3控制算法3.1控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進(jìn)的PID控制等。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的被控制對(duì)象來說，

6、數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，使用性更強(qiáng)。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2數(shù)學(xué)模型的建立具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： （2-1）在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以使減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)

7、態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。模擬PID控制規(guī)律為： （2-2）式中：稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，其中為給定值，為被測(cè)變量值；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)；為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號(hào)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，故上述數(shù)字方程式必須加以變換。設(shè)采樣周期為T，第次采樣得到的輸入偏差為，調(diào)節(jié)器的輸出為，作如下近似： （用差分代替微分） （用求和代替積分）這樣，式（2-2）便可改寫為： （2-3）其中， 為調(diào)節(jié)器第次輸出值；、分別為第次和第

8、次采樣時(shí)刻的偏差值。由式可知： 是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置一一對(duì)應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項(xiàng)，而且輸出的控制量不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得產(chǎn)生大幅度變化，這樣會(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時(shí)，一般均采用增量型PID控制算法。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）位置型算式每次輸出與整個(gè)過程狀態(tài)字有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的

9、累加值 ，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。（2）為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無憂切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度 ，若采用增量型算法，其輸出對(duì)應(yīng)與閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) 項(xiàng)，所以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)得的無憂動(dòng)切換。（3）采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。正因?yàn)榫哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，在實(shí)際控制中，增量型算法要比位置算法應(yīng)用更加廣泛。利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算

10、法的遞推形式為： （2-4）式中，為比例增益；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。為了編程方便，可將式（2-4）整理成如下形式： （2-5）式中：4系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)4.1總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件包括微控制器部分（主機(jī)）、溫度檢測(cè)、溫度控制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤/顯示/報(bào)警）4個(gè)主要部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，程序有主程序、中斷服務(wù)子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調(diào)用。圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該部分電路主要包括89C51主程序的工作情況，主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測(cè)。預(yù)置溫度的顯示及定時(shí)器T0的初始化設(shè)置等。T0中斷服務(wù)程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測(cè)

11、。主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖4-2所示。主程序如下：TEMP1 EQU 50H ；當(dāng)前檢測(cè)溫度（高位）TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；當(dāng)前檢測(cè)溫度（低位）ST1 EQU 52H ；預(yù)置溫度（高位）ST2 EQU 53H ；預(yù)置溫度（低位）T100 EQU 54H ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（百位）T10 EQU T100+1 ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（十位）T EQU T100+2 ；溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（個(gè)位）BT1 EQU 57H ；溫度二進(jìn)制碼顯示緩沖區(qū)（高位）BT2 EQU BT1+1 ；溫度二進(jìn)制碼顯示緩沖區(qū)（低位）ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道

12、IN0的端口地址TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H ；50H58H單元初始化(清零) ORG 0000H AJMP MAIN ；轉(zhuǎn)主程序 ORG 00BH AJMP PT0 ；轉(zhuǎn)T0中斷服務(wù)子程序 ORG 0030HMAIN： MOV SP，#59H ；設(shè)堆棧標(biāo)志 MOV TMOD，#01H ；定時(shí)器0初始化（方式1） MOV TL0，#0B0H ；定時(shí)器100ms定時(shí)常數(shù) MOV TH0，#3CH MOV R7，#150 ；置15s軟計(jì)數(shù)器初值 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷 SETB EA ；開中斷 SETB TR

13、O ；啟動(dòng)定時(shí)器0MAIN1：ACALL KIN ；調(diào)鍵盤管理子程序 ACALL DISP ；調(diào)用顯示子程序 SJMP MAIN1定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序PT0：PT0： MOV TL0，#0BOH MOV TH0，#3CH ；重置定時(shí)器0初值 DJNZ R7，BACK ；15s到否，不到返回 MOV R7，#150 ；重置軟計(jì)數(shù)器初值 ACALL TIN ；溫度檢測(cè) MOV BT1，TEMP1 ；當(dāng)前溫度送到顯示緩沖區(qū) MOV BT0，TEMP0 ACALL DISP ；顯示當(dāng)前溫度BACK：RETI圖4-2 主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖4.2溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)電路包括溫度傳感器、變送器和

14、A/D轉(zhuǎn)換三部分。傳感器選用型號(hào)為WZB-003的鉑熱電阻，可滿足本系統(tǒng)0500測(cè)量范圍的要求。變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓，當(dāng)溫度在0500時(shí)變送器輸出04.9v左右的電壓。A/D轉(zhuǎn)換可采用ADC0809進(jìn)行，亦可采用單片機(jī)內(nèi)部A/D功能進(jìn)行。電路設(shè)計(jì)好后調(diào)整變送器的輸出，使0500的溫度變化對(duì)應(yīng)于04.9v的輸出，則A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的數(shù)字量位00HFAH,即0250，轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標(biāo)度變換的工作量，另一方面還可以避免標(biāo)度變換帶來的計(jì)算誤差。本設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式（由P1.4查詢ADC0809的ECO轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)）。為提高采樣的可靠性，對(duì)

15、采樣溫度進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法很多，這里采用4次采樣取平均值的方法。因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測(cè)的當(dāng)前溫度。溫度檢測(cè)子程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3 溫度檢測(cè)子程序流程圖4.3溫度控制電路控制電路采用可控硅來實(shí)現(xiàn)，雙向可控硅SCR和電路電阻絲串接在交流220V市電回路中，單片機(jī)信號(hào)通過光電隔離器和驅(qū)動(dòng)電路送到可控硅的控制端，由端口的高低電平來控制可控硅的導(dǎo)通與斷開，從而控制電阻絲的通電加熱時(shí)間。將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器斷開，停止加熱；當(dāng)二者相等時(shí)電路保持原來狀態(tài)；當(dāng)溫度降低到比預(yù)置溫度低2

16、時(shí)，再重新啟動(dòng)加熱。溫度控制模塊流程圖見圖4-4。圖4-4 溫度控制模塊流程圖4.4人機(jī)對(duì)話電路4.4.1鍵盤管理為使系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊，鍵盤只設(shè)置四個(gè)功能鍵，分別是“啟動(dòng)鍵”、“百位”、“十位”和“個(gè)位”。由P1口低四位作為鍵盤接口。利用數(shù)字鍵可以分別對(duì)預(yù)置溫度的百位、十位和個(gè)位進(jìn)行0500的溫度設(shè)置。程序設(shè)有預(yù)置溫度合法檢測(cè)報(bào)警，當(dāng)預(yù)置溫度超過500時(shí)會(huì)報(bào)警并且將溫度設(shè)為500。鍵盤管理子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5 鍵盤管理子程序流程圖4.4.2數(shù)碼顯示本系統(tǒng)設(shè)有3位LED數(shù)碼顯示器，用于顯示電阻爐的設(shè)定溫度和實(shí)際溫度。采用串行口擴(kuò)展的靜態(tài)顯示電路作為顯示接口電路。顯示子程序DISP如下

17、：DISP： ACALL HTB ；調(diào)用將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的子程序HTB MOV SCON,#00H ；置串行口為方式0 MOV R2,#03H ；顯示位數(shù)送R2 MOV R0,#T100 ；顯示緩沖區(qū)首地址送R0LD： MOV DPTR,#TAB ；指向字符碼表首地址 MOV A,R0 ；取出顯示數(shù)據(jù) MOVC A,A+DPTR ；查表 MOV SBUF,A ；字符碼送串行口WAIT： JBC TI,NEXT ；發(fā)送結(jié)束轉(zhuǎn)下一個(gè)數(shù)據(jù)并清除中斷標(biāo)志 SJMP WAIT ；發(fā)送未完等待NEXT： INC R0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針 DJNZ R2,LD ；判斷3位顯示完否，未完繼續(xù) RET

18、TAB： ；字符碼表5基MATLAB仿真被控對(duì)象采用simulink仿真，通過simulink模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算示。設(shè)采樣時(shí)間Ts=10s，被控對(duì)象為： Simulink仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 Simulink仿真圖選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：clear all;close all;ts=4;sys=tf(1,30,1,'inputdelay',10);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');num,den=tfdata(dsys,'v');kp=13;ki=0.4;k

19、d=0.2;MATLAB仿真波形如圖5-2所示。圖5-2 MATLAB仿真波形6心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是對(duì)我們?cè)谶@學(xué)期學(xué)到的微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課的理論知識(shí)的一個(gè)綜合測(cè)評(píng)，是對(duì)我們將理論結(jié)合時(shí)間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識(shí)的途徑。在此次課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)到了許多平時(shí)課堂上學(xué)不到的東西，比如：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與可行性分析、電爐的設(shè)計(jì)與制作、器件的選型、程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試、系統(tǒng)的調(diào)試以及平時(shí)沒有接觸到的在線編程與相關(guān)軟件等等。在設(shè)計(jì)過程中我遇到了許多難以解決的問題，通過去圖書館看書、上網(wǎng)查資料以及請(qǐng)教同學(xué)，努力最終一步一步得以解決。通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅鍛煉了我的動(dòng)手能力，更培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，鞏固了我以前學(xué)過的專業(yè)知識(shí)，促進(jìn)了我的自學(xué)能力。通過本次設(shè)計(jì)，我還了解了微機(jī)控制中DDC算法的基本概念及其對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用。什么樣的課程設(shè)計(jì)都離不開理論與實(shí)際相結(jié)合的真理，設(shè)計(jì)過程中的方案選擇和參數(shù)設(shè)定使我進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)到算法的控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的重要作用。一個(gè)細(xì)小的參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致最后的性能指標(biāo)不和標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇一個(gè)優(yōu)良的方案對(duì)于實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。參考文獻(xiàn)1吳金戌, 沈慶陽(yáng), 郭庭吉.8051