劉光云嵌入式課程實驗報告

1、自動化專業(yè)課程設計 -基于M0的水溫控制調節(jié)器設計專業(yè)班級： 自動化112班 指導教師： 梁毓明老師 姓 名： 劉光云 學 號： 26號 時 間： 2013年6月10日-6月30日29 / 31文檔可自由編輯打印 摘要進入21世紀后，自動控制正朝著高精度、多功能、標準化、高可靠性及安全性發(fā)展。溫度控制也正朝著開發(fā)虛擬溫度控制器和網絡溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數，在科學研究和生產實踐的諸多領域中,溫度控制占有著極為重要的地位, 溫度控制技術是一種比較重要的工業(yè)技術，不僅在化工，航天，航空，醫(yī)療等高科技領域，在食品、機械、冶金、化工

2、、建材、石油等工業(yè)領域,占據著具有舉足輕重的作用。在我們日常的生活中，我們也是經常應用到的。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經不能滿足高精度、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：直接數字控制（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，PID控制，神經網絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的

3、提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產品的質量更好，降低了產品的成本，提高了生產效率。隨著ARM微型計算機的功能不斷的增強，為先進的控制算法提供了載體，許多高性能的新型機種應運而生。ARM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。在溫度控制技術在溫度控制當中，PID控制技術應用相對來說比較廣泛，PID控制

4、器算法簡單，計算量小，恒溫效果穩(wěn)定。本文則是以ARM（Cortex-MO）為核心、PID算法為控制方式、MATLAB仿真、串口通訊而設計的水溫控制調節(jié)器設計系統(tǒng)。關鍵字：自動控制，溫度控制，ARM，PID算法，MATLAB仿真，串口通訊，水溫控制調節(jié)器。 目 錄摘要····························

5、;·································第1頁第一章 概述···············&#

6、183;······································第4頁 1.1.電阻爐簡介·········&

7、#183;·····································第4頁 1.1.1.電阻爐的描述·········

8、83;·····························第4頁 1.1.2.電阻爐的工作原理·················

9、83;·················第4頁 1.2.溫度控制系統(tǒng)簡介······························

10、;···········第5頁 1.2.1.溫度控制系統(tǒng)設計的背景、發(fā)展歷史及意義·············第5頁 1.2.2溫度控制系統(tǒng)的目的··················

11、················第6頁 1.2.3溫度控制系統(tǒng)完成的功能······························第6頁第

12、二章 本水溫控制調節(jié)器系統(tǒng)簡介··································第7頁 2.1.本控制系統(tǒng)的總體描述··········

13、83;··························第7頁 2.2.本設計的主要內容·····················

14、;····················第7頁 2.2.1.設計課題···························

15、83;···············第7頁 2.2.2.設計要求································&

16、#183;··········第8頁 2.2.3.技術指標·····································

17、;······第8頁第三章 水溫控制調節(jié)器系統(tǒng)的硬件設計······························第8頁 3.1.電爐主控電路的設計·······

18、83;·······························第8頁 3.1.1.光耦MOC3063作用介紹··············

19、3;················第8頁 3.1.2.晶閘管BT137作用介紹······························

20、 第9頁 3.1.3.電爐控制電路的設計································第10頁 3.2.三極管測溫電路的設計···········

21、83;························第10頁 3.2.1.三極管測溫電路的整體設計·····················

22、3;····第10頁 3.2.2.三極管測溫原理簡介································第11頁 3.2.3.LM324運放電路·······

23、······························第12頁 3.3.總體電路的設計組合·················

24、·····················第13頁 3.3.1.總體硬件電路的原理圖·························

25、83;····第13頁 3.3.2.PCB轉印圖········································第14頁 3.4.硬件電路的焊接

26、與調試····································第14頁 3.4.1.轉印制版···········

27、·······························第14頁 3.4.2.器件的焊接················&#

28、183;·······················第15頁 3.4.3.調試························&

29、#183;·····················第15頁 3.5.硬件實物圖··························

30、;····················第15頁第四章 控制算法的確定與數學模型的建立和求解·····················第17頁 4.1.控制算法的確定··

31、;········································第17頁 4.2.數學模型的建立·······&

32、#183;··································第17頁 4.3.數學模型中參數的求解············

33、························第18頁 4.3.1.模型的分析·······················&#

34、183;················第18頁 4.3.2.求模型K、T、值······························&

35、#183;···第19頁第5章 PID應用原理和參數選擇····································第19頁 5.1.模擬PID調節(jié)器····

36、······································第19頁 5.2.數字PID控制器·········&

37、#183;································第20頁 5.3.基于PID算法的程序流程·············

38、3;····················第21頁 5.4.由模型在simulink環(huán)境下求PID中的參數···················第23頁第6章 總結與感悟···&

39、#183;···········································第25頁致謝！·····

40、··················································

41、····第26頁參考文獻············································

42、3;···········第27頁 第一章 概述1.1.電阻爐簡介1.1.1.電阻爐的描述電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。電阻爐的主要參數由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻

43、性等1.1.2.電阻爐的工作原理電阻爐是以電流通過導體所產生的焦耳熱為熱源的電爐。電阻爐以電為熱源，通過電熱元件將電能轉化為熱能，在爐內對金屬進行加熱。電阻爐和火焰比，熱效率高，可達5080，熱工制度容易控制，勞動條件好，爐體壽命長，適用于要求較嚴的工件的加熱，但耗電費用高。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。輻射式電阻爐以輻射傳熱為主，對流傳熱作用較?。粚α魇诫娮锠t以對流傳熱為主，通常稱為空氣循環(huán)電阻爐，靠熱空氣進行加熱，爐溫多低于650。按電熱產生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中，電流直接通過物料，因電熱功率集中在物料本身，所以物料加熱很快，適用于要

44、求快速加熱的工藝，例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物料加熱到很高的溫度，例如碳素材料石墨化電爐，能把物料加熱到超過2500。直接加熱電阻爐可作成真空電阻加熱爐或通保護氣體電阻加熱爐，在粉末冶金中，常用于燒結鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時應注意：為使物料加熱均勻，要求物料各部位的導電截面和電導率一致；由于物料自身電阻相當小，為達到所需的電熱功率，工作電流相當大，因此送電電極和物料接觸要好，以免起電弧燒損物料，而且送電母線的電阻要小，以減少電路損失；在供交流電時，要合理配置短網，以免感抗過大而使功率因數過低。大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實現電-熱轉變的電阻體,稱為電熱體

45、，由它把熱能傳給爐中物料。這種電爐爐殼用鋼板制成，爐膛砌襯耐火材料，內放物料。最常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據需要，爐內氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真空。一般電源電壓220伏或380伏，必要時配置可調節(jié)電壓的中間變壓器。小型爐（<10千瓦）單相供電，大型爐三相供電。對于品種單一、批料量大的物料，宜采用連續(xù)式爐加熱。爐溫低于700的電阻爐,多數裝置鼓風機，以強化爐內傳熱，保證均勻加熱。用于熔化易熔金屬（鉛、鉛鉍合金、鋁和鎂及其合金等）的電阻爐，可做成坩堝爐；或做成有熔池的反射爐，在爐頂上裝設電熱體。1.2.溫度系統(tǒng)簡介1.2.1溫度控制系統(tǒng)設計的背景、

46、發(fā)展歷史及意義隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應用到人們生活的各個方面，是與人們息息相關的一個實際問題。針對這種實際情況，設計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景與實際意義。溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度。在工業(yè)生產和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產等領域內，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內；許多化學反應的工藝過程必須在適當的溫度下才能正常進行；煉油過程中

47、，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質霉爛，酒類的品質就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢姡瑴囟鹊臏y量和控制是非常重要的。單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛，在很多的電子產品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生。 ARM在電子產品中的應用已經越來越廣泛，在很多的電子產品中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應運而生。電阻爐是利用

48、電流通過電阻體產生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。它的特點：電路簡單；對爐料種類的限制少；（小型電阻爐可以加熱食品、干燥木材等）；爐溫控制精度高；容易實現在真空或控制氣氛中加熱等特點。電阻爐的主要參數有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。電阻爐按爐溫不同可以分為低溫電阻爐(600700以下)、中溫電阻爐(7001200)、高溫電阻爐(1200以上)。 隨著科學技術的發(fā)展，電阻爐被廣泛應用在冶金、機械、石油化工、電力等工業(yè)生產中，在很多生產過程中，溫度的測量和控制與生產安全、生產效率、產品質量、能源節(jié)約等重大技術經濟指標緊緊相連。因此各個領域對電阻爐溫度控制的穩(wěn)定性、可靠性、精度等要求

49、也越來越高，溫度測量控制技術也成為現代科技發(fā)展中的一項重要技術。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數。PID控制大滯后、大慣性，其控制品質難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，PID控制對小型電阻爐的溫度控制效果良好。1.2.2溫度控制系統(tǒng)的目的本設計的內容是溫度測試控制系統(tǒng)，控制對象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領域應用相當廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實在很多場所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。針對此問題，本系統(tǒng)設計的目的是實現一種可連續(xù)高精度調溫的溫度控制系統(tǒng)，它應用廣泛，功能強大，小巧美觀，便于

50、攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統(tǒng)。1.2.3.溫度控制系統(tǒng)完成的功能溫度控制系統(tǒng)完成的功能就是對溫度進行實時監(jiān)測與控制。溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產、科學研究和人們的生活領域中，得到了廣泛應用。在工業(yè)生產過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產能夠順利的進行，產品的質量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產環(huán)境的溫度進行自動控制，保證生產的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產效率。溫度采集控制系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)設計的基礎上發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)雖然起源于微型計算機時代，但是微型計算機的體積、價位、可靠性，都無法滿足廣大對象對嵌入式系統(tǒng)的要求，因此，嵌入式

51、系統(tǒng)必須走獨立發(fā)展道路。這條道路就是芯片化道路。 第二章 水溫控制調節(jié)器系統(tǒng)簡介2.1.本控制系統(tǒng)的總體描述此次課程設計的溫度控制系統(tǒng)，是以ARM（Cortex-MO）為控制核心。主要內容是通過NPN三極管傳感器，將電爐的溫度值轉化成電壓值。再通過自己設計的溫度變送器進行放大輸出電壓量，并由AD模塊（ADC0809芯片）將電壓信號采集進單片機，與我們系統(tǒng)的給定值進行比較得到誤差量，再采用PID控制算法得到控制量。將控制量經DA模塊（DAC0832芯片）產生電壓信號驅動功率模塊實現對電爐的溫度控制。此次課程設計采用的控制算法采用的是Bang-Bang PID算法，當溫度低于設定范圍以下，可以使溫

52、度較低時能夠快速的升溫。水爐的溫度控制也可采用模糊控制算法等智能控制算法，并且溫度系統(tǒng)存在較大的滯后，也可以增加Smith預估算法。本次課程設計的目的在于，在對水壺溫度控制系統(tǒng)的設計中，了解溫度控制系統(tǒng)基本的控制方案。將理論應用與實際，對過程控制技術、自動控制技術的應用得到一定的提升。2.2.本設計的主要內容2.2.1.設計課題設計一個溫度可控的電阻爐，可以在超調允許的范圍內自動調節(jié)溫度，使電爐在預定的電壓值下所對應的溫度不變。2.2.2.設計要求 （1） 利用模擬溫度傳感器檢測溫度，要求檢測電路盡可能簡單。 （2） 當溫度偏高或者偏低時可以通過PWM的控制使電爐停止加熱。 （3） 設置的PI

53、D參數，超調不允許超過百分之十，抗擾動性能好。2.2.3.技術指標 （1） 溫度顯示誤差不超過1。 （2） 溫度顯示范圍為099。 （3） 程序部分用PID算法實現溫度自動控制。 （4） 檢測信號為電壓信號。 （5） 通過上位機實時顯示當前的相關數據 第三章 水溫控制調節(jié)器系統(tǒng)的硬件設計3.1.電阻爐主控電路的設計3.1.1.光耦MOC3063作用介紹一、主要特點MOC3063系列光電雙向可控硅驅動器是一種新型的光電耦合器件,它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管,具有結構簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點。本文介紹其工作原理、性能參數及典型應用電路。二、主要參數MOC

54、3063 - 基本信息：電壓-隔離：5000Vrms通道數：1電壓-斷路：600V輸出類型：交流過零三端雙向可控硅開關電流-柵極觸發(fā)電流()（最大）：5mA電流-保持()：400A電流- DC正向()：50mA 三、光耦在本設計中的作用 在本設計中光耦用于把強電與弱電隔離開，防止因短路或者操作不當導致觸電事故的發(fā)生；同時把Cortex-M0的電源與220V高壓電分開，防止燒壞處理器，然后通過處理器輸出的PWM波形控制三極管的導通壓降進而控制光耦的導通情況，達到控制電爐溫度的效果。3.1.2.晶閘管BT137作用介紹一、主要特點 圖 3.1.2一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件

55、，創(chuàng)制于1957年，由于它特性類似于真空閘流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱可控硅T。又由于可控硅最初應用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。雙向可控硅是在普通可控硅的基礎上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是比較理想的交流開關器件。其英文名稱TRIAC即三端雙向交流開關之意。在性能上，可控硅不僅具有單向導電性，而且還具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導通和關斷兩種狀態(tài)。二、工作原理1、可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個PN結，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成。當陽

56、極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic。2、由于BG1和BG2所構成的正反饋作用，所以一旦可控硅導通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關斷功能，所以這種可控硅是不可關斷的。由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，條件如下：A、從關斷到導通1、陽極電位高于是陰極電位，2、控制極有足夠的正向電壓和電流，兩者缺一不可

57、。B、維持導通1、陽極電位高于陰極電位，2、陽極電流大于維持電流，兩者缺一不可。C、從導通到關斷1、陽極電位低于陰極電位，2、陽極電流小于維持電流，任一條件即可。3.1.3.電爐控制電路的設計 圖3.1.3 電爐控制電路圖3.2.三極管測溫電路的設計3.2.1.三極管測溫電路的整體設計 圖3.2.13.2.2.三極管測溫原理簡介一、PN節(jié)與溫度的關系晶體管的 PN 結結電壓隨溫度變化而變化，圖1給出了硅 PN 結的溫度特性曲線。由曲線可以看出，當溫度低于200時，結電壓與溫度有良好的線性關系，可用作溫度傳感器，實現溫度電壓（t-V）轉換。硅 PN 結可承受的最高結溫比鍺 PN 結要高，更加適于

58、測量150以下的溫度，故通常應選用硅管。曲線表示 PN 結的結電壓對溫度的偏導數，實際上就是 PN 結的溫度系數，在150以下范圍內，這個溫度系數約為。另外PN 結溫度傳感器具有響應速度較快（時間常數小于 1 s）體積小和價格低廉的優(yōu)點。晶體管溫度傳感器則是利用半導體材料 PN 結電流電壓特性和溫度的相關性進行測溫，它的最大優(yōu)點是輸出線性度好，測溫精度也比較高，而且價格便宜，是比較有前途的一類溫度傳感器。二、測溫電路電路工作原理傳感器電壓是通過 NPN 三極管的基極和發(fā)射極之間 PN 結的溫度特性實現 t-V 轉換的，得到的電壓是經過放大器放大后的電壓。溫度傳感器及放大電路如上圖所示。NPN

59、三極管發(fā)射極基極的 PN 結、R3、R1、R2 、R5、R6、R7一起構成了傳感器電橋,當溫度變化時,結電壓 UBE隨之變化，繼而引起運放的正向輸入端、反向輸入端的電壓相應變化，經過運算放大器的放大實現溫度電壓的轉換。三、測溫電路的相關計算，此時運放同向端電壓約等于PN結的電壓；運放輸出的電壓值為：.由次關系式可知，隨著溫度的上升，PN結的壓降不斷下降，輸出電壓也慢慢增大。3.2.3 LM324運放電路一、LM324芯片簡介LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下右圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用如

60、下左圖所示的符號表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與輸入端的相位相反；Vi+(+)為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳見如下右圖所示。2 LM324內部電路圖3 LM324的參數極限參數：電參數（除非特別說明，=5.0V,VEE=GND,TA=25）三LM324的應用電路此次主要用來放大NPN三極管所采集到的電壓應用電路如下圖3.2.1所示。3.3.總體電路的設計組合3.3.1.總體硬件電路的原理圖：3.3.2.

61、PCB轉印圖： 3.4.硬件電路的焊接與調試3.4.1.轉印制版1） 畫好PCB圖之后，打印出PCB圖，然后在140下進行熱轉印，即將PCB圖上的線條轉印到一塊雙層銅板上。2） 先轉印一面，在轉印第二面時一定要與第一面對齊，否則就得重新轉印。根據我的經驗，可以在轉印完第一面后在板的四個角上打上四個洞，不過這需要再畫PCB圖時在四個角上畫上圓點，這樣就可以在打洞時順著這四個圓點打才會精準，不會打偏，然后用細鐵絲將板和紙固定，在進行熱轉印。3） 熱轉印之后，等它冷卻再放到用濃鹽酸和雙氧水配置好的腐蝕水中，待腐蝕完全后，將它撈出并放入清水中洗去板上的殘留液。4） 從清水中撈出后，觀察有沒有斷線，沒斷

62、線就可以去打孔了，在打孔時必須得注意不要把另一面的線條給打沒了。3.4.2.器件的焊接打完孔就是焊接了，將前面所選的元器件按照PCB圖示的位置放置，并用烙鐵將焊錫焊接在元件的管腳與打磨好的線條上。這是一項細活，希望大家細心點哦！焊接完后你的板就算做好了。在此過程中要注意一些問題：1、器件的選擇合適，能保證電路正常工作。2、焊接時注意人身安全。3、注意不要虛焊。3.4.3.調試調試過程分為兩步：1、 首先檢測測溫電路能不能正常工作測出從02或3V的電壓變化范圍。2、 再者接上電路爐控制電路和220V交流電，將PWN接地，觀看電爐是否工作。3.5.硬件實物圖 第四章 控制算法的確定與數學模型的建立

63、4.1.控制算法的確定PID調節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結構靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調節(jié)，而且可以根據系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(tǒng)中，對于時間常數比較大的被控制對象來說，數字PID完全可以代替模擬PID調節(jié)器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法,同時也分別用達林算法、Smith算法進行了建模、仿真，與PID控制算法進行效果比較。4.2.數學模型的建立具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數學模型可表示為：在PID調節(jié)中，各校

64、正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(2)積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。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，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調加大，甚至使系統(tǒng)出現振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)可以減小系統(tǒng)超調量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，將P、I、D三種調節(jié)規(guī)律結合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調節(jié)效果。4.3.數學模型

65、中參數的求解首先，使用開環(huán)觀察在確定PWM的條件下，溫度與時間的關系式，為不導致過大的PWM使水沸騰，所有給定的PWM比較?。ㄕ伎毡葹榘俜种?，周期為0.5s）。當第一次達到穩(wěn)定溫度時，再次改變PWM的給定值（給定PWM為百分之八），再次得到一個穩(wěn)定的曲線，如下圖所示： 圖4.3 機理建模曲線此圖為PWM=8%*T的曲線圖從第一次曲線穩(wěn)定時開始，到第二次穩(wěn)定時結束。4.3.1.模型分析由圖4.3可知，在PWM為百分之五的時候達到穩(wěn)定時刻有：U1=1711mV，t1=0s;在PWM為百分之八的時候達到穩(wěn)定時刻有：U2=2194mV,t2=1100。4.3.2.求模型K、T、值由圖4.3的曲線，得

66、出如下的相關計算：電壓的差值：U=U2-U1=2194-1711=383mV時間的差值：t=t2-t1=1100 溫度上升到39時刻： t1=160秒U1=149.37溫度上升到63時刻： t2=310秒U2=241系數K值為：K=U/PWM=383/3=128 系數T值為：T=2(t2-t1)=300 系數值為： =2t1-t2=10電爐的數學模型：G(s)=K*exp(-s)/(Ts+1)=128*exp(-10s)/(300s+1); 第五章 PID應用原理和參數選擇5.1.模擬PID調節(jié)器一、模擬PID控制系統(tǒng)組成如圖3.1 圖3.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調節(jié)器的微

67、分方程和傳輸函數PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。 1、PID調節(jié)器的微分方程 （3-1） 式中 2、PID調節(jié)器的傳輸函數 （3-2）三、PID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前

68、，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，減小調節(jié)時間。5.2.數字PID控制器一、模擬PID控制規(guī)律的離散化如表3.1.2所示模擬形式離散化形式表3.1.2 模擬PID控制規(guī)律的離散化二、數字PID控制器的差分方程 （3-3）式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項三、常用的控制方式1、P控制 2、PI控制 3、PD控制 4、PID控制 四、PID算法的兩種類型 1、位置型控制 （3-4） 2、增量型控制 （3-5）5.3.基于PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程 1、增量型PID算法的算式 （3-6）式中， （3-7）2、增量型和位置型PID算法的程序流程

69、，如圖3-6-4所示 圖3-6-4 增量型和位置型PID算法的程序流程二、位置型PID算法的程序流程1、位置型的遞推形式 （3-8）2、位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基礎上增加一次加運算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。三、對控制量的限制1、控制算法總是受到一定運算字長的限制2、執(zhí)行機構的實際位置不允許超過上(或下)極限 3.4 基于C語言實現PID調節(jié)本此設計采用的是增量式PID算法，此法簡單明了，可以隨機建模，然后通過得出的模型進而調出PID相關的比例、積分、微分參數，Cortex-M0中軟件編制為如下程序：/* 函數名稱: CalPID*

70、 函數描述: 根據偏差值調節(jié)PWM占空比* 輸入參數: 第一次的偏差值* 輸出參數: 無* 返回值 : PWM*/int CalPID(int First_devt)static int Second_devt = 0,Third_devt = 0;static int PID_Contr_PWM = 0;PID_Contr_PWM = PID_Contr_PWM + Kp*(First_devt - Second_devt)/1000 + Ki*First_devt/100000 + Kd*(First_devt - 2*Second_devt + Third_devt);if (PID_Contr_PWM >