基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（已處理）

1、基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制摘要 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高,已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用,并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象,很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)字模型,因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難到達(dá)好的控制效果。 單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制,可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。 本設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng),通過(guò)采用硬

2、件與軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐溫度的自動(dòng)控制。硬件電路主要包括:加熱及控制電路局部,數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理局部,鍵盤(pán)和顯示器局部,單片機(jī)與各局部的接口處理局部。軟件設(shè)計(jì)主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成,其原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值,而后對(duì)偏差值的處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率,以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。其中控制電路局部利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱電路的通電與斷電該系統(tǒng)具有硬件本錢(qián)低,控溫精度高,可靠性好,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:電加熱爐;單片機(jī);溫度控制;雙向可控硅。目錄摘要1第1章 緒論41.1課題的提出41.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及要求41.3課題的分析

3、與設(shè)計(jì)思路5第2章 溫度控制系統(tǒng)的概述72.1微機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介72.2電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的特性72.3電加熱自動(dòng)控制原理8第3章 系統(tǒng)電路分析硬件93.1溫度檢測(cè)電路93.2電源設(shè)計(jì)電路93.3 RS232/485轉(zhuǎn)換電路103.4 PWM式鍵盤(pán)接口電路123.5可控硅調(diào)功電路13第4章 芯片介紹154.1單片機(jī)AT89C51介紹154.2 MC14499芯片介紹154.3 197芯片164.4 74HC4060芯片17第5章 系統(tǒng)控制算法仿真185.1飛升曲線185.2 PID算法仿真19第6章 MCGS組態(tài)236.1MCGS?的整體結(jié)構(gòu)236.2 MCGS軟件的功能和特點(diǎn)236.3 MC

4、GS組態(tài)過(guò)程24第7章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)267.1系統(tǒng)主程序267.2系統(tǒng)中斷效勞程序367.3系統(tǒng)PID子程序37第8章 附錄418.1參考資料418.2大林仿真程序418.3系統(tǒng)程序428.4硬件設(shè)計(jì)總圖44第9章 總結(jié)45第1章 緒論 近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)各領(lǐng)域的滲透,單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入,同時(shí)也帶動(dòng)了傳統(tǒng)控制檢測(cè)的更新與開(kāi)展。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用,僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的,還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu),以及具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合,以作完善。單片機(jī)控制系統(tǒng)由微機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象兩大局部組成。 隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,近來(lái)單片機(jī)

5、開(kāi)展十分迅速,其應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。尤其在工業(yè)控制、自動(dòng)化儀器儀表、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口、智能化外設(shè)等領(lǐng)域開(kāi)展很快。它的應(yīng)用對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)換代、機(jī)電一體化都具有重要意義。在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中,溫度控制也越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中,人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反響爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn),而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo),從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)本課題設(shè)計(jì),懂得綜合運(yùn)用單片機(jī)及

6、接口技術(shù)、微機(jī)原理、微電子技術(shù)和鍛煉動(dòng)手操作能力,掌握運(yùn)用能力,學(xué)習(xí)論文的寫(xiě)作方法和步驟。掌握電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的組成及原理,掌握各局部的功能及作用,了解單片機(jī)的開(kāi)展前景。 本設(shè)計(jì)的溫度系統(tǒng)有以下要求: 1測(cè)溫范圍 :0-100 3測(cè)溫準(zhǔn)確度:±1 4測(cè)溫點(diǎn)數(shù):可以擴(kuò)展到8點(diǎn) 5溫度顯示:采用4個(gè)7段段數(shù)碼管 6溫限那么進(jìn)行靈活設(shè)定 分析硬件電路主要包括:加熱及控制電路局部,數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理局部,鍵盤(pán)和顯示器局部,單片機(jī)與各局部的接口處理局部。軟件設(shè)計(jì)主要由溫度控制的算法和溫度控制程序組成。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝參數(shù)之一,任何物理變化和化學(xué)反響過(guò)程都與溫度密

7、切相關(guān),因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。本設(shè)計(jì)是以AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集、檢測(cè)和控制。被控制對(duì)象為一電加熱爐,輸入為加在電爐兩端的電壓,輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。本系統(tǒng)是對(duì)在0100范圍內(nèi)的電爐溫度進(jìn)行精密測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)也可劃分為控制電路局部、加熱電路局部和測(cè)量電路三局部?？刂齐娐肥怯蓡纹瑱C(jī)來(lái)處理給定信號(hào)和反響信號(hào),發(fā)出相應(yīng)的指令來(lái)控制可控硅,是系統(tǒng)的核心。AT89C51對(duì)溫度的控制是通過(guò)可控硅調(diào)功能電路實(shí)現(xiàn)的。在給定的周期T內(nèi),AT89C51只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲的功率,從而到達(dá)調(diào)節(jié)溫度的目的。而可控硅的接通時(shí)間可以通過(guò)可控硅極上觸發(fā)脈沖控

8、制。該觸發(fā)脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生,受過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動(dòng)管輸出送到可控硅的控制極上。過(guò)零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖,可使可控硅在交流電壓正弦波過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到控制電路中,另一方面還作為計(jì)數(shù)脈沖加到AT89C51的T0和T1端。 加熱電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的升溫加熱到達(dá)預(yù)定的溫度。當(dāng)溫度沒(méi)有到達(dá)要求,控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱電路的通電與斷電。 測(cè)量電路功能為將測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理變成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。主要由溫度檢測(cè)和變送器組成。溫度檢測(cè)元件和變送器的類(lèi)型選擇和被控溫度及精度等

9、級(jí)有關(guān)。 除上述電路,AT89C51還要有MC14499?74HC4060?RS232-RS485?和197等芯片接口電路。其中MC14499用于LED顯示器接口,74HC4060用于鍵盤(pán)接口,RS232-RS485作為串行通信口,197為溫度測(cè)量電路的輸入接口,用于把連續(xù)變化的信號(hào)進(jìn)行離散化。最終再通過(guò)控制電路中的鍵盤(pán)顯示器電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示:圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件設(shè)計(jì)主要為控制器局部,即溫度控制系統(tǒng),采用PID算法,其原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值,而后對(duì)偏差值進(jìn)行處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)加熱爐的加熱功率,以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。PID根本可滿足系統(tǒng)

10、要求。程序設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的核心局部。整個(gè)程序包括管理程序和控制程序兩局部。管理程序是對(duì)顯示LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新,控制指示燈,處理鍵盤(pán)的掃描和響應(yīng),進(jìn)行掉電保護(hù),執(zhí)行中斷效勞程序等?？刂瞥绦蚴怯脕?lái)對(duì)被控進(jìn)行采樣,數(shù)據(jù)處理,根據(jù)控制算法進(jìn)行計(jì)算和輸出等。第2章 溫度控制系統(tǒng)的概述 微機(jī)是微型處理機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 微處理機(jī),簡(jiǎn)稱CPU,是一個(gè)大規(guī)模集成電路(LSI)器件或超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件,包括數(shù)據(jù)通道、多個(gè)存放器、控制邏輯和運(yùn)算邏輯部件等,是完成計(jì)算機(jī)對(duì)信息的處理與控制等功能的中央處理器件。 微型計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱MC,是以微處理機(jī)(CPU)為中心,加上只讀存儲(chǔ)器(RO

11、M)、讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)、輸入/輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計(jì)算機(jī)。 微機(jī)控制系統(tǒng)是將采集到的各工作設(shè)備的工作狀況顯示要素轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)預(yù)置的程序處理對(duì)其狀態(tài)的性質(zhì)與變化程度作出分析與判斷,并對(duì)相關(guān)工作設(shè)備發(fā)出指令,維持或調(diào)整工作狀態(tài)。在這一系統(tǒng)中,微機(jī)是工作核心,是大腦,對(duì)工作設(shè)備的有效控制起著至關(guān)重要的作用。就微機(jī)控制系統(tǒng)而言,一般可按如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì):確定系統(tǒng)整體控制方案、確定控制算法、選用微型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。 單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出局部、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對(duì)象組成,如圖1所示。被控制對(duì)

12、象具有典型的多階容積遲后特性,在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后;由于被控對(duì)象電容量大,通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器。其特性為,電加熱爐的溫度調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)劑供電能源的斷續(xù)作用,改變電爐絲閉合時(shí)間Tb與斷開(kāi)時(shí)間Tk的比值,Tb/Tk。調(diào)節(jié)加熱爐的溫度,在工業(yè)上是通過(guò)在設(shè)定周期范圍內(nèi),將電路接通幾個(gè)周波,然后斷開(kāi)幾個(gè)周波,改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時(shí)間的比例,來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載兩端交流平均電壓即負(fù)載功率,這就是通常所說(shuō)的調(diào)功器或周波控制器;調(diào)功器是在電源電壓過(guò)零時(shí)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的,所以負(fù)載上得到的是完整的正弦波,調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的電壓周波。假設(shè)周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周期的波數(shù)為n,每個(gè)

13、周波的周期為T(mén),那么調(diào)功器的輸出功率為Pn×T×Pn/Tc,Pn為設(shè)定周期Tc內(nèi)電壓全通過(guò)時(shí)裝置的輸出功率。爐溫信號(hào)那么通過(guò)溫度檢測(cè)及變送,變成電信號(hào),與溫度設(shè)定值進(jìn)行比擬,計(jì)算溫度偏差和溫度的變化率 以AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集、檢測(cè)和控制。被控制對(duì)象為一電加熱爐,輸入為加在電爐兩端的電壓,輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。本系統(tǒng)是對(duì)在0100范圍內(nèi)的電爐溫度進(jìn)行精密測(cè)量。AT89C51通過(guò)可控硅調(diào)功能電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。在給定的周期T內(nèi),AT89C51只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲的功率,從而到達(dá)調(diào)節(jié)溫度的目的。而可控硅的接通時(shí)間可以通過(guò)可

14、控硅極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由AT89C51用軟件在P1.3引腳上產(chǎn)生,受過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光耦合管和驅(qū)動(dòng)管輸出送到可控硅的控制極上。過(guò)零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過(guò)零時(shí)刻的脈沖,可使可控硅在交流電壓正弦波過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通。該脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到控制電路中,另一方面還作為計(jì)數(shù)脈沖加到AT89C51的T0和T1端。 加熱電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的升溫加熱到達(dá)預(yù)定的溫度。當(dāng)溫度沒(méi)有到達(dá)要求,控制電路利用雙向可控硅的通斷特性來(lái)決定加熱電路的通電與斷電。 系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計(jì)。首先使T0計(jì)數(shù)器產(chǎn)生定時(shí)中斷,作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷效勞程序中啟動(dòng)A/D,讀入采樣數(shù)

15、據(jù),進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理,PID計(jì)算,然后輸出控制脈沖信號(hào)。脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí),將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū),然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后,再?gòu)腡0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示本次采樣溫度,等待下次T0中斷。 1二位式調(diào)節(jié)-它只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài),當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開(kāi);當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。(執(zhí)行器一般選用接觸器)。 2)三位式調(diào)節(jié)-它有上下限兩個(gè)給定值,當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開(kāi);當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)行器局部開(kāi)啟;當(dāng)爐溫超過(guò)上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。(如管狀加熱器為加熱元件時(shí),可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加

16、熱與保溫功率的不同)。 3)比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))-調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)(M)和偏差輸入(e)成比例。即:Mke 式中:K-比例系數(shù) 。比例調(diào)節(jié)器的輸入、輸出量之間任何時(shí)刻都存在-對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系,因此爐溫變化經(jīng)比例調(diào)節(jié)到達(dá)平衡時(shí),爐溫不能加復(fù)到給定值時(shí)的偏差-稱“靜差。 4)比例積分(PI)調(diào)節(jié)-為了“靜差,在比例調(diào)節(jié)中添加積分(I)調(diào)節(jié)積分,調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差存在隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng),直到偏差消除才無(wú)輸出信號(hào),故能消除“靜差比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié)。 5 比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)-比例積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程增長(zhǎng),溫度的波動(dòng)幅值增大,為此再引入微分(D)調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)

17、器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的微分成比例,微分調(diào)節(jié)器在溫度有變化“苗頭時(shí)就有調(diào)節(jié)信號(hào)輸出,變化速度越快、輸出信號(hào)越強(qiáng),故能加快調(diào)節(jié)速度,降低溫度波動(dòng)幅度,比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。(一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器)。 根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況,這種控溫方法,精度比擬高,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要。主要設(shè)備:熱電偶或熱電阻,智能PID溫控儀,可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。 第3章 系統(tǒng)電路分析硬件2。式中二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù),當(dāng)溫度升高時(shí),Rt電阻值隨著增加稍而有下垂,呈現(xiàn)出非線性關(guān)系,必須進(jìn)行非線性補(bǔ)償,如圖3.1溫度檢測(cè)電路以及Pt100的非線性校正。 圖3.1 非線性校正電路 其中

18、非線性校正由運(yùn)放和兩個(gè)100K、兩個(gè)500K電阻組成,這是溫度檢測(cè)變換電路的第一級(jí),經(jīng)過(guò)3號(hào)通道的100K.,500K兩個(gè)電阻構(gòu)成負(fù)反響回路,2號(hào)通道的100K,500K兩個(gè)電阻構(gòu)成正反響回路,為了維持電路的平衡,運(yùn)放的正負(fù)反響回路皆會(huì)產(chǎn)生電流,負(fù)反響回路產(chǎn)生對(duì)地的電流。選取適宜的電阻值可以將Pt100的非線性誤差降到0.5%,(0500),由于電阻爐為定溫控制,在控溫點(diǎn)進(jìn)行精心地電路調(diào)整和測(cè)量校正,可以使溫度到達(dá)很高的精度。 本設(shè)計(jì)所采用的電源如圖3.2所示,此電源共有四個(gè)電源,兩個(gè)正電源+12V,+5V和兩個(gè)負(fù)電源-12V,-5V。分別由W7800正壓?jiǎn)纹€(wěn)壓器,W7900負(fù)壓穩(wěn)壓器,10

19、0uH的電感,濾波電橋,整流電解電容,發(fā)光二極管(作用是降低集成穩(wěn)壓電路的輸入電壓和防止總線斷電時(shí),電容所儲(chǔ)存的電荷向總線釋放)及發(fā)光二極管的限流電阻組成電源電路。F用以濾除輸出端的高頻信號(hào),改善電路的暫態(tài)響應(yīng)。3.3 RS232/485轉(zhuǎn)換電路RS-232目前是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。其被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地。典型的RS-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng),在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+515V,負(fù)電平在-5-15V電平。正無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí),線上為T(mén)TL,從開(kāi)始

20、傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束,線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電壓在+3+12V與-3-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上雙絞線上的分布電容,其傳送距離最大約為15米,最高速率為20Kbps。RS-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備)通訊而設(shè)計(jì)的,其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3K7K。因此RS-232很適合于本地設(shè)備之間的連接。 而RS485那么采用差分信號(hào)負(fù)邏輯。它采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力。RS485串行總線通信距離能夠到達(dá)幾千米再加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,能檢測(cè)低至200mV的電壓,因此傳輸信號(hào)即使

21、在千米以外也能夠得到恢復(fù)。其采用的是半雙工工作方式,任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài),因此,發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。再次應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng),其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器,用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便,可以省掉許多信號(hào)線。 ?由于PC機(jī)默認(rèn)的只帶有RS232接口,有兩種方法可以得到PC上位機(jī)的RS485電路:(1)通過(guò)RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機(jī)串口RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào),對(duì)于情況比擬復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產(chǎn)品。(2)通過(guò)PCI多串口卡,可以直接選用輸出信號(hào)為RS485類(lèi)型的擴(kuò)展卡。 目前,大局部PC機(jī)的通信端口為9芯D型插

22、頭,在實(shí)際使用PC機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí),通常只使用其中的RTS、RXD、TXD與GND四個(gè)端口,以構(gòu)成簡(jiǎn)易的四線通信線路。筆者采用這種方案巧妙地利用光電耦合器的隔離特性和RS232工作時(shí)RTS線與TXD線之間的電平關(guān)系,給出了簡(jiǎn)單、可靠的電路設(shè)計(jì)。具體轉(zhuǎn)換電路如圖3.3所示。該電路使用了三片光電耦合器TLP521-1進(jìn)行隔離,這使PC機(jī)與SN75LBC184之間完全沒(méi)有了電的聯(lián)系,從而提高了工作的可靠性。 當(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平1-12V時(shí),光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導(dǎo)通,輸出端為T(mén)TL邏輯電平1(+5V),此時(shí)選中RS485的DE端允許RS485接收,這樣,RS232的

23、TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)(工作邏輯與RTS端相似)。當(dāng)RS232的RTS端為邏輯電平0(+12V)時(shí),光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導(dǎo)通,輸出端為T(mén)TL邏輯電平00V,此時(shí)選中RS485的RE端允許RS485發(fā)送。當(dāng)RS485的R端的輸出為邏輯電平1時(shí),光電耦合器發(fā)光二極管不發(fā)光,光敏三極管不導(dǎo)通,這樣,在RS232輸出停止時(shí),其TXD電平為-12V,電容被充電到-12V以使其輸出也變成-12V,即邏輯電平1;當(dāng)其輸出為邏輯電平0時(shí),光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光,光敏三極管導(dǎo)通,這時(shí),其輸出為+5V,也在RS232邏輯電平0的范圍之內(nèi),即為邏輯電平0。 將上述轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于分布式溫度采集和控制

24、系統(tǒng)中時(shí),可獲得較為滿意的轉(zhuǎn)換效果(已有應(yīng)用實(shí)例)。因此,在對(duì)下位機(jī)的實(shí)時(shí)性要求較高、通信的數(shù)據(jù)量不太大的分布式控制場(chǎng)合,這種低本錢(qián)、高可靠性的RS232/RS485轉(zhuǎn)換器具有較大應(yīng)用價(jià)值。RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路如3.3所示。 3.3 RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路圖3.4 PWM式鍵盤(pán)接口電路 以往電路設(shè)計(jì)中,為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的鍵盤(pán)、LED顯示,常采用兩種方法:一是用8155、8255并行擴(kuò)展接口構(gòu)成顯示、鍵盤(pán)電路。這時(shí)應(yīng)采用含有P0、P2總線口的單片機(jī),以便擴(kuò)展并行口。這種電路選用的器件大,引腳多,對(duì)小型系統(tǒng)資源有些浪費(fèi)。二是用串行口配上移位存放器74HC4060構(gòu)成硬件譯碼靜態(tài)顯

25、示、鍵盤(pán)接口電路。這種電路大大減少I(mǎi)/O口線,但使用芯片較多,一塊74HC4060芯片對(duì)應(yīng)一位LED數(shù)碼管,電路較復(fù)雜,耗電較大。為了充分利用資源,使設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)最小、最優(yōu),我們?cè)谠O(shè)計(jì)智能化測(cè)控儀表時(shí),選用AT89C51單片機(jī)與MCl4499譯碼驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成串行口硬件譯碼顯示、鍵盤(pán)接口,既簡(jiǎn)化電路又使單片機(jī)引腳得到充分利用。 接口電路如下列圖所示。在本接口電路中,只使用三塊芯片構(gòu)成硬件譯碼鎖存的動(dòng)態(tài)顯示及鍵盤(pán)電路,動(dòng)態(tài)掃描由硬件管理。工作原理 AT89C51的數(shù)據(jù)輸入端P1口,然后由傳感器、運(yùn)算放大器、A巾轉(zhuǎn)換器如5G14433等組成的前置通道,由P1口采集的數(shù)據(jù)是4位BCD碼。在單片機(jī)中對(duì)其進(jìn)

26、行數(shù)字濾波后,從串行口輸出。鍵盤(pán)局部 使用串行輸入、并行輸出移位存放器74HC4060經(jīng)串行口擴(kuò)展并行I/o口設(shè)定串行口工作在移位存放器、方式0狀態(tài)下。本接口只擴(kuò)展了8個(gè)鍵,如不夠,還可串接。顯示局部 采用MCl4499譯碼、驅(qū)動(dòng)。AT89C51的RXD提供串行輸出的BCD碼來(lái)顯示數(shù)據(jù),TXD提供串行移位脈沖。P3.4控制使能端EN。MCl4499的輸出端A、B、C、D、E、F、G、DP 8個(gè)腳分別接在4位一體LED的斷碼輸入端a、b、c、d、e、f、g上。字位選擇端I、經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)后,分別接在4個(gè)數(shù)碼管的公共端。由內(nèi)部時(shí)序分時(shí)選通4個(gè)數(shù)碼管,進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示掃描。如所用LED顯示器不止4個(gè),可再

27、用一片MCl4499級(jí)聯(lián)來(lái)擴(kuò)展。為了使串行口的數(shù)據(jù)輸出速率與MCl4499接收速率相匹配,單片機(jī)的工作頻率應(yīng)為3MHz。 電路工作原理 電路原理圖如圖3.5所示。調(diào)節(jié)波段開(kāi)關(guān)SA的擋位,可以改變電容C1的充放電速率。利用C1兩端交流電壓通過(guò)雙向觸發(fā)二極管VD3去觸發(fā)雙向晶閘管VS導(dǎo)通、并改變了VS的導(dǎo)通角,使負(fù)載RL兩端交流電壓隨之發(fā)生變化。 發(fā)光二極管VD2、VD5作為信號(hào)指示,由于導(dǎo)通角不同,發(fā)光亮度各異。SA置于“1擋,VD5顯示;SA置于“4擋,那么VD2顯示;R5是限流電阻,用來(lái)保護(hù)VS。電阻R7、電容C2為吸收回路,用來(lái)吸收SA在選擋時(shí)所產(chǎn)生的干擾脈沖,否那么在SA選擋過(guò)程中將對(duì)電

28、視機(jī)、音響及其他電聲器件產(chǎn)生一定的干擾。元器件選擇 電容C1選用0.1uF/160V,C2選0.022uF/400V滌綸電容器。電阻R1為56k、1/2W,R2為39k、1/4W,R3為27k、1/4W,R4為2k、1/4W,R5為47、1/2W,R6為100k、1/2W可變,R7為300、1/4W,R8為43k、1/2W。二極管VD1、VD4用1N4004。發(fā)光二極管VD2用BT104黃色,VD5用BT103綠色。觸發(fā)二極管VD3為DB3或VR60。雙向晶閘管V5用TLC226B3A/400V或TLC336A3A/600V。波段開(kāi)關(guān)SA用KZX-1-2D-11W。負(fù)載RL為交流220V/30

29、0W電爐絲。 制作方法與使用說(shuō)明 本電路的核心器件是雙向晶閘管,因此一定要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。由于電路簡(jiǎn)單可自行設(shè)計(jì)印制電路板。只要按圖連接無(wú)誤,不用調(diào)試便可工作 第4章 芯片介紹 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。其片內(nèi)4kbytes可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器EPROM和128kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,32個(gè)I/O口線。兩個(gè)16位定時(shí),計(jì)數(shù)器,一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷機(jī)構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信121,片內(nèi)

30、振蕩器及時(shí)鐘電路,兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲(chǔ)單元。空閑方式停止CPU的工作.但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其引腳電路圖如圖4.1所示: 圖4.1 AT89C51引腳電路圖4.2 MC14499芯片介紹 MCl4499是一個(gè)CMOS LED譯碼驅(qū)動(dòng)器,片內(nèi)主要包括一個(gè)20位移位存放器、一個(gè)鎖存器、一個(gè)多路輸出器,由多路輸出器輸出的BCD碼經(jīng)

31、譯碼器譯碼后,換成點(diǎn)七段碼送至片驅(qū)動(dòng)器輸出a、b、d、e、f、g和小數(shù)點(diǎn)DP。另外,由片內(nèi)振蕩器經(jīng)過(guò)四分頻的信號(hào),經(jīng)位譯碼后提供4個(gè)位控信號(hào),經(jīng)位驅(qū)動(dòng)器至四位控制線I、。由于MCl4499片內(nèi)具有BCD譯碼器和串行接口,所以它幾乎可以與任何單片機(jī)接口相連。 芯片主要控制信號(hào)為D:串行數(shù)據(jù)輸入端;a、b、d、e、f、g:七段顯示輸出;工、:字位選擇端,用來(lái)產(chǎn)生LED選通信號(hào);OSC:振蕩器外接電容端,外接電容使片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生200800Hz掃描信號(hào)以防LED顯示器閃爍;CLK:時(shí)鐘輸入端,用以提供串行接收的控制時(shí)鐘,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為50kHz;麗:使能端,為0時(shí),MCl4499允許接收串行數(shù)據(jù)輸入

32、,為1時(shí),片內(nèi)的移位存放器將數(shù)據(jù)送入鎖存器中鎖存。 MC14499管腳配置如下列圖4.2所示: 4.3 197芯片 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。197是im公司推出的具有12位測(cè)量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片,只需單一電源供電,且轉(zhuǎn)換時(shí)間很短6ms,具有8路輸入通道,還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口?8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口,可以和大局部單片機(jī)直接接口,使用十分方便。 197無(wú)需外接元器件就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式,采樣模式由控制存放器的D5位決定。在內(nèi)部采樣控制模式控制位置0中,由寫(xiě)脈沖啟動(dòng)采樣間隔,經(jīng)過(guò)瞬間的采樣間隔芯片時(shí)鐘為2M

33、Hz時(shí),頻率為3ms,即開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式D51中,由兩個(gè)寫(xiě)脈沖分別控制采樣和A/D轉(zhuǎn)換。在第一個(gè)寫(xiě)脈沖出現(xiàn)時(shí),寫(xiě)入ACQMOD為1,開(kāi)始采樣間隔。在第二個(gè)寫(xiě)脈沖出現(xiàn)時(shí),寫(xiě)入控制字ACQMOD為0,197停止采樣,開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。這兩個(gè)寫(xiě)脈沖之間的時(shí)間間隔為一次采樣時(shí)間。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,197相應(yīng)的INT引腳置低電平,通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果及內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序。 對(duì)于模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,時(shí)序要求非常嚴(yán)格,由于197的數(shù)字信號(hào)輸出引腳是復(fù)用的,要正確讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果,時(shí)序要求尤其重要。在一次采樣開(kāi)始前,可以通過(guò)單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)線把這些控制字寫(xiě)入197來(lái)初始化相應(yīng)的參數(shù)。然后

34、按照一定的時(shí)序進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。 圖中HBEN為12位數(shù)據(jù)高4位或低8位有效控制位,當(dāng)此位為高時(shí),高4位數(shù)據(jù)有效,為低時(shí)低8位數(shù)據(jù)有效?？梢酝ㄟ^(guò)控制這個(gè)引腳來(lái)讀取12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。其管腳排列圖如圖4.3所示: 圖4.3 197的引腳電路圖4.4 74HC4060芯片 74HC4060是一款高速CMOS器件,74HC4060引腳兼容HEF4060。 74HC4060是14階脈動(dòng)進(jìn)位計(jì)數(shù)器/振蕩器,帶有3個(gè)振蕩器端口(RS, RTC和CTC),10個(gè)緩沖輸出(Q3至Q9,Q11至Q13)和1個(gè)最高優(yōu)先級(jí)異步主復(fù)位(MR)。振蕩器配置可以是RC振蕩設(shè)計(jì),也可以是晶振電路設(shè)計(jì)。通過(guò)RS輸入端,振蕩器可由

35、外部時(shí)鐘信號(hào)代替。這種情況下,需保持其他振蕩器引腳(RTC和CTC)懸空。74HC4060的計(jì)數(shù)器在RS的下降沿增長(zhǎng),MR端輸入高電平那么會(huì)清零計(jì)數(shù)器(Q3至Q9,Q11至Q13為低),且不依賴于其他輸入條件。其管腳排列圖如下列圖4.4所示: 圖4.4 74HC4060的引腳電路圖第5章 系統(tǒng)控制算法仿真5.1飛升曲線 實(shí)驗(yàn)中為了得到飛升曲線,選去了以被控制對(duì)象為1L凈水,采用1KW電爐進(jìn)行加熱。飛升曲線法實(shí)測(cè)電加熱爐參數(shù)。電加熱爐是一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為: 式中: K ? 放大系數(shù); T ? 對(duì)象時(shí)間常數(shù); ? 對(duì)象滯后時(shí)間 輸出從起始值到達(dá)0.632倍穩(wěn)定值的時(shí)間,即為時(shí)間常數(shù)T

36、,而滯后時(shí)間可直接從圖中測(cè)量。有時(shí)實(shí)測(cè)的飛升曲線(見(jiàn)圖3)有彎曲,這時(shí)可采用一階加純滯后的虛擬曲線來(lái)逼近,而起始局部那么可定出一個(gè)等效的滯后時(shí)間,可在曲線斜率的折點(diǎn)處作一切線,與時(shí)間軸的交點(diǎn)認(rèn)為是一階的起點(diǎn),坐標(biāo)原點(diǎn)到一階的起點(diǎn)即純滯后時(shí)間,一階的起點(diǎn)到切線與穩(wěn)定值的交點(diǎn)的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)T。通過(guò)計(jì)算,得到其傳遞函數(shù)近似為并通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)板上的PID控制參數(shù)進(jìn)行水溫度的恒溫控制。實(shí)驗(yàn)中得到以下飛升曲線。 圖5.1.2 飛升曲線25.2 PID算法仿真(1) PID算法的根本原理PID工作根本原理:由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生,要想到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的,控制作用就必須不斷的進(jìn)行。假設(shè)擾

37、動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值以下簡(jiǎn)稱被控參數(shù)發(fā)生變化,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化記錄并傳送給PID控制器,改變過(guò)程變量值以下簡(jiǎn)稱PV值,經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端,并與其給定值以下簡(jiǎn)稱SP值進(jìn)行比擬得到偏差值以下簡(jiǎn)稱e值,調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律將在第三節(jié)PID算法中詳細(xì)推導(dǎo)與分析發(fā)出控制信號(hào),去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度,使調(diào)節(jié)器的開(kāi)度增加或減少,從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變,并趨向于給定值SP值,以到達(dá)控制目的。PID控制原理基于下面的算式:Mn MPn +MIn + MDn(輸出比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng))。Mn :第n次采樣時(shí)刻,PID回路輸出的計(jì)算值OUT值 ,MPn :

38、第n次采樣時(shí)刻的比例項(xiàng) ,MIn :第n次采樣時(shí)刻的積分項(xiàng) ,MDn :第n次采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)比例項(xiàng)MPn:1比例項(xiàng)MP是增益Kc和偏差e的乘積。因?yàn)槠頴是給定值SP與過(guò)程變量值PV之差enSPn-PVn。求比例項(xiàng)算式為:MPnKc* SPn-PVn 其中MPn :第n次采樣時(shí)刻比例項(xiàng)的值,Kc :PID回路增益 ,SPn :第n次采樣時(shí)刻的給定值 ,PVn :第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。2積分項(xiàng)MIn與偏差和成正比。因?yàn)槠頴是給定值SP與過(guò)程變量值PV之差enSPn-PVn。求積分項(xiàng)算式為:MInKc* SPn-PVn+MX 其中MIn :第n次采樣時(shí)刻積分項(xiàng)的值,Kc :PID回路增益

39、,T :采樣周期或控制周期,TI:積分時(shí)間常數(shù),SPn :第n次采樣時(shí)刻的給定值,PVn :第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值,MX:第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)積分前項(xiàng)。3微分項(xiàng)MDn與偏差的變化成正比。因?yàn)槠頴是給定值SP與過(guò)程變量值PV之差enSPn-PVn。求微分項(xiàng)算式為,MDn KC* * PVn-PVn-1,其中MDn :第n次采樣時(shí)刻微分項(xiàng)的值,Kc :PID回路增益,PVn :第n次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值,PVn-1:第n-1次采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。4PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律,它在比例的根底上引入積分,可以消除余差,再參加微分作用,又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)

40、或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。5PID手、自動(dòng)控制方式,在現(xiàn)場(chǎng)控制回路中,我們有時(shí)會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)的強(qiáng)變引起現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程值的跳變,如果這時(shí)采用了I控制規(guī)律,要消除這個(gè)擾動(dòng),會(huì)使得調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、過(guò)慢,這時(shí)就需要人為的進(jìn)行干預(yù)。PID控制器在這方面設(shè)置了一個(gè)使能位0或1,0指手動(dòng)控制,1為PID參與調(diào)節(jié),也就是“自動(dòng)與“手動(dòng)的說(shuō)法。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行的時(shí),我們稱之為“手動(dòng)方式,PID運(yùn)算參與控制稱為“自動(dòng)方式。當(dāng)這個(gè)使能位發(fā)生從0到1的正跳變時(shí),PID會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的控制規(guī)律進(jìn)行一系列的動(dòng)作,使PID從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式,為了能使手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式,PI

41、D會(huì)執(zhí)行以下操作: (1)置過(guò)程變量值PV給定值SP,在未人為改變SP值之前,SP持恒定。 (2)置過(guò)程變量前值PVn-1過(guò)程變量現(xiàn)值PVn 。6PID的最正確整定參數(shù)的選定,PID的最正確整定參數(shù)一般包括Kc、TI、TD等三個(gè)常用的控制參數(shù)。在具體整定中,我們通常先關(guān)閉積分項(xiàng)和微分項(xiàng),將TI設(shè)置為無(wú)窮大、TD設(shè)置為零,使其成為純比例調(diào)節(jié)。初期比例度按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定,根據(jù)PV曲線,再慢慢的整定比例控制比例度,使系統(tǒng)到達(dá)4:1衰減振蕩的PV曲線,然后,再加積分作用。在加積分作用之前,應(yīng)將比例度加大為原來(lái)的1.2倍左右。將積分時(shí)間TI由大到小的調(diào)整,真到系統(tǒng)再次得到4:1的衰減振蕩的PV曲線為止。假

42、設(shè)需引入微分作用,微分時(shí)間按TD1/31/4 TI計(jì)算,這時(shí)可將比例度調(diào)到原來(lái)數(shù)值或更小一些,再將微分時(shí)間由小到大調(diào)整,直到PV曲線到達(dá)滿意為止。有一點(diǎn)需要注意的是:在湊試過(guò)程中,假設(shè)要改變TI、TD時(shí),應(yīng)保持 的比值不變。7.值得注意的是:PID最正確整定參數(shù)確定后,并不能說(shuō)明它永遠(yuǎn)都是最正確的,當(dāng)由外界擾動(dòng)的發(fā)生根本性的改變時(shí),我們就必須重新根據(jù)需要再進(jìn)行最正確參數(shù)的整定。它也是保證PID控制有效的重要環(huán)節(jié)。(2) PID算法仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中我們選擇的對(duì)象傳遞函數(shù)模型為: (K20, T 60s,10s )控制示波器輸出范圍為-55V等同于實(shí)際控制中的控制器輸出電壓值;同時(shí)為了防止積分飽和

43、,對(duì)有積分的控制器均采用了積分別離措施,以提高控制效果。PID控制器的參數(shù)在通過(guò)Ziegler-Nichols法整定,減小了積分控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差精度,由于不斷累計(jì)誤差,能使誤差迅速消除,但能使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào);而在系統(tǒng)中增加微分控制,能夠增加系統(tǒng)的阻尼,提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,由于PID控制器能夠補(bǔ)償絕大多數(shù)的控制系統(tǒng),整定方法簡(jiǎn)單,魯棒性好,通過(guò)PID最正確整定參數(shù)后再微調(diào)得傳遞函數(shù):Kp0.07,Ki3,Kd0.018并建立PID調(diào)節(jié)器控制模型如下: 圖5.2.1 PID調(diào)節(jié)器控制模型 MATLAB中運(yùn)行并點(diǎn)擊SCOPE,得出階躍響應(yīng)曲線圖5.2.2其中超調(diào)量5%,響應(yīng)時(shí)間按5%要求,約為210秒

44、。穩(wěn)態(tài)誤差約為0.2%。 圖5.2.2 階躍響應(yīng) 圖5.2.3 階躍響應(yīng) 下面觀察一下在一個(gè)相對(duì)較小的隨機(jī)擾動(dòng)下系統(tǒng)的表現(xiàn),當(dāng)給定80度,增益的幅值上調(diào)10%后,即其階躍響應(yīng)圖如圖5.2.3。 為了觀察一下系統(tǒng)的魯棒性,把其它模型參數(shù)也加以改變,改為,和,其控制器控制參數(shù)不變,得到的階躍響應(yīng)結(jié)果圖5.2.4和圖5.2.5。 圖5.2.4階躍響應(yīng) 圖5.2.5 階躍響應(yīng)(3) PID仿真分析 從以上仿真曲線可以看到,PID控制算法的仿真曲線出現(xiàn)了等幅振蕩。分析得到:PID控制算法僅僅在模型匹配時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制,其動(dòng)態(tài)性能不理想。當(dāng)模型失配時(shí),PID控制算法就無(wú)能為力了?？偟膩?lái)說(shuō),PID調(diào)節(jié)的

45、效果不是很理想,在忽略了擾動(dòng)的情況下,系統(tǒng)的超調(diào)量在5%左右,對(duì)于一個(gè)熱水器來(lái)說(shuō),勉強(qiáng)是可以接受的,加一個(gè)相對(duì)來(lái)碩幅值較小的隨機(jī)擾動(dòng)后,系統(tǒng)的超調(diào)量到達(dá)了8%左右。如果考慮到對(duì)象的建模不十分準(zhǔn)確,把參數(shù)改動(dòng)一些后,出現(xiàn)了較大的超調(diào),調(diào)節(jié)實(shí)踐方面,系統(tǒng)的表現(xiàn)良好,響應(yīng)時(shí)間小于160秒,穩(wěn)態(tài)誤差也較小,對(duì)于本設(shè)計(jì)的需求來(lái)看是可以滿足要求的。第6章 MCGS組態(tài) MCGS全中文工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件(以下簡(jiǎn)稱MCGS工控組態(tài)軟件或MCGS)為我們建立全新的過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)提供了一整套解決方案,MCGS工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件,可穩(wěn)定運(yùn)行于Windows95/NT操作系統(tǒng),集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制

46、、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機(jī)熱備、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身,并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機(jī)械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通信、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種工程領(lǐng)域。6.1 MCGS?的整體結(jié)構(gòu) MCGS?軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)局部,組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件,用戶可以利用它設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件,即組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng),它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理,完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)

47、和功能,組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境互相獨(dú)立,又密切相關(guān),如圖6.1?所示。 圖6.1?組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的關(guān)系6.2 MCGS軟件的功能和特點(diǎn) ?全中文可視化組態(tài)軟件,簡(jiǎn)潔、大方,使用方便靈活; ?完善的中文在線幫助系統(tǒng)和多媒體教程; ?真正的32位程序,支持多任務(wù)、多線程,運(yùn)行于Win95/98/NT/2000平臺(tái); ?提供近百種繪圖工具和根本圖符,快速構(gòu)造圖形界面; ?支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板卡、智能模塊、智能儀表、PLC、變頻器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等700多種國(guó)內(nèi)外眾多常用設(shè)備; ?支持溫控曲線、方案曲線、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、XY曲線等多種工控曲線; ?支持ODBC接口,可與SQL Server、Oracle、Access等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián) ; ?支持OPC接口、DDE接口和OLE技術(shù),可方便的與其他各種程序和設(shè)備互聯(lián); ?提供漸進(jìn)色、旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)、透明位圖、流動(dòng)塊等多種動(dòng)畫(huà)方式,可以到達(dá)良好的動(dòng)畫(huà)效果; ?上千個(gè)精美的圖庫(kù)元件,保證快速的構(gòu)建精美的動(dòng)畫(huà)效果; ?功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)同步構(gòu)建,保證多個(gè)系統(tǒng)完美結(jié)合; 完善的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),可以支持最新流行的各種通訊方式,包括 通訊網(wǎng)、寬帶通訊網(wǎng)、ISDN通訊