一種采用時間最優(yōu)控制的PID恒溫控制器設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 36 頁 共 36 頁1 引言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。20世紀(jì)60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段現(xiàn)代控制理論。他主要研究具有高性能，高精度的多變量變參數(shù)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論，信息論，仿生學(xué)為基礎(chǔ)的

2、智能控制理論深入。 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。 本系統(tǒng)是一個恒溫箱的溫度控制器, 可供各類實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)部門使用. 系統(tǒng)的加熱功率為1000w , 電源為220 v 交流電, 控制范圍為20 80 . 控制器可以在線設(shè)定控制溫度, 并對溫度進(jìn)

3、行實(shí)時數(shù)碼顯示. 本控制器經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、運(yùn)行, 取得了較好的控制效果, 現(xiàn)已在實(shí)驗(yàn)室用做恒溫水箱的溫控器, 它具有控制速度快、超調(diào)小、線性控制精度高和實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn).為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)的總體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度，壓力或飛行航跡等；而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控裝置施加的

4、控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現(xiàn)對被控量進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理2 恒溫控制器組成及原理恒溫控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示, 它是一個典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)鍵 盤溫度顯示溫度越限報(bào)警器單片機(jī)a/dd/a溫度變換電路可控硅觸發(fā)電路圖1恒溫控制器結(jié)構(gòu)框圖a/d的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均植變成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出，該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進(jìn)行變換單相通用型可控硅觸發(fā)板是通過調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的電壓電流功率調(diào)整的一種移相型的電力

5、控制器，其核心部件采用國外生產(chǎn)的高性能、高可靠性的軍品級可控硅觸發(fā)專用集成電路。輸出觸發(fā)脈沖具有極高的對稱性及穩(wěn)定性，且不隨環(huán)境溫度變化，使用中不需要對脈沖對稱度及限位進(jìn)行調(diào)整。現(xiàn)場調(diào)試一般不需要示波器即可完成。它（gbc2m-1系列與zkd6三相全數(shù)控系列）可廣泛的應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域的電壓電流調(diào)節(jié)，適用于電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載、變壓器一次側(cè)及各種整流裝置等* 電壓、電流、功率、燈光等無級平滑調(diào)節(jié)。該控制器選用mcs251 系列單片機(jī)8031 作為微控制器, 用戶程序固化在eprom 芯片2764 中,系統(tǒng)配有4 位l ed 顯示及小鍵盤.控制器的溫度檢測元件采用熱敏電阻, 其檢測溫度經(jīng)變換電路

6、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號. a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入8031, 經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換計(jì)算出實(shí)際溫度并與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較, 得到控制偏差. 由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器按一定的算法產(chǎn)生相應(yīng)控制量. 控制量由d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成0 8v 的電壓信號控制雙向晶閘管的通斷率, 通過調(diào)節(jié)加熱功率達(dá)到控制溫度的目的. 溫箱的設(shè)定溫度通過鍵盤完成.乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。3、鍵盤和顯示的設(shè)計(jì)鍵盤采用行列式和外部中斷相結(jié)合的方法，圖3中各按鍵的功能定義如下表1。其中設(shè)置鍵與單片機(jī)的腳相連，、yes、no用四行三列接單片機(jī)p0口，rest鍵為硬件復(fù)位鍵，與r、c構(gòu)成復(fù)位電路。模塊電路如下圖3：表1：按鍵功

7、能按鍵鍵名功能rest復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位ret設(shè)置鍵使系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)數(shù)字鍵設(shè)置用戶需要的溫度yes確認(rèn)鍵用戶設(shè)定目標(biāo)溫度后進(jìn)行確認(rèn)no清除鍵用戶設(shè)定溫度錯誤或誤按了yes鍵后使用2.1 溫度采樣電路溫度采樣電路由溫度變換電路和a/d轉(zhuǎn)換器組成.2. 1. 1 溫度變換電路溫度變換電路由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻rt 和集成運(yùn)放lm 324 構(gòu)成, 電路的測量范圍設(shè)計(jì)為20 80. 熱敏電阻具有較高的靈敏度, 但rt 在25常溫下的阻值約為10k8 , 而100時卻為7858 , 其非線性程度強(qiáng), 因此需要對熱敏電阻作非線性較正, 以保證溫度變換電路的輸出是線性變化. 經(jīng)過對熱敏電阻作線性補(bǔ)償

8、后, 在30 70 時具有較好的線性, 其它溫度范圍可通過軟件線性插值做進(jìn)一步校正. 溫度變換電路輸出電壓與溫度的關(guān)系如表1 所示.表1溫度與輸出電壓的關(guān)系t () 20222426283032343638v (v )0.5640.5930.6210.6580.6820.7250.610.8040.8530.903t ()40424446485052545658v (v )0.9370.9721.0081.0451.0801.1161.1321.1881.2211.258t ()60636567707274767880v (v )1.2921.3461.3801.4001.4701.5181.

9、5631.6051.6421.6972.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路a/d 轉(zhuǎn)換器采用了雙積分式a/d 轉(zhuǎn)換芯片mc14433. 該換芯片的分辨率為 11999(相當(dāng)于11 位精度) , 電壓量程為1. 999v 或199. 9 mv (本控制器中選用1. 999v 量程) , 具有過量程和欠量程輸出標(biāo)志, 片內(nèi)具有自動極性轉(zhuǎn)換和自動調(diào)零功能.mc14433 轉(zhuǎn)換速度比較慢,但轉(zhuǎn)換精度高, 抗干擾能力強(qiáng), 外接元件少, 使用方便.mc14433 采用了掃描方法, 輸出為312 位bcd 碼, 從0000 1999 共2000 個數(shù)碼, 當(dāng)溫度范圍為0 100時,a/d 轉(zhuǎn)換可達(dá)到0. 05/b i

10、t, 完全滿足本系統(tǒng)的要求. 電路采用中斷管理方式, 每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后向8031 發(fā)出中斷請求信號.2.2 溫度控制電路8031對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)的, 原理如圖2 所示. 本電路采用了調(diào)壓調(diào)功原理, 通過調(diào)節(jié)控制電壓v k 的大小來調(diào)節(jié)電壓比較器a 1 輸出脈沖信號v o 的占空比, 進(jìn)一步控制加熱絲的平均導(dǎo)通功率, 從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的. 此控制方式不需要復(fù)雜的同步電路, 控制器的導(dǎo)通為過零型導(dǎo)通. 電壓比較器信號關(guān)系如圖3 所圖2功率控制電路原理 圖3電壓比較器信號溫度控制元件采用了雙向可控硅c332. 只要改變可控硅管的導(dǎo)通時間, 便可以改變加熱絲功率.來自鋸齒波發(fā)生器

11、的信號v i (幅度為1. 66 6. 66v , 頻率為30 hz) 加至a 1 的同相端, 由d/a 轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓v k (0 8 v ) 加至a 1 的反相端, 控制電路輸出脈沖信號的臨界電壓為1. 66v. 當(dāng)v k的值大于6. 66 v 時,a 1 的輸出恒為低電平, 輸?shù)碗娖綖閙oc3061 的導(dǎo)通信號. 在鋸齒波的1 個周期內(nèi),v k 的值大于v i 時,a 1 輸出低電平,v k 的值小于v i 時,a 1 輸出高電平, 從而在a 1 的輸出端形成一個脈沖寬度可變的脈沖信號, 該脈沖信號經(jīng)光電耦合器moc3061 后加到可控硅的控制極, 直接控制雙向可控硅的導(dǎo)通時間,

12、從而控制加熱絲的平均加熱功率. 可控硅回路與220v 電源相通, 光電耦合器的絕緣耐壓能有效地把微機(jī)系統(tǒng)與220v 強(qiáng)電隔離.一種采用時間最優(yōu)控制的p id 恒溫控制器333moc3061 是內(nèi)部具有過零檢測器的光電耦合可控硅驅(qū)動器, 該器件用于觸發(fā)可控硅時, 具有觸發(fā)電路簡單可靠的特點(diǎn). 當(dāng)其輸入端為導(dǎo)通信號時, 負(fù)載端并不一定馬上導(dǎo)通, 只有當(dāng)電源電壓過零時才能導(dǎo)通, 導(dǎo)通時波形是完整的, 因此減小了可控硅接通時的干擾. 經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、測量, 當(dāng)v i 的頻率為30 hz 時控制效果最佳.2.3 溫度設(shè)定/顯示電路系統(tǒng)配有小鍵盤與4 位l ed, 用于設(shè)定控制溫度和顯示實(shí)時溫度. 顯示器、

13、鍵盤與8031 的接口芯片采用可編程接口芯片8279, 完成鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示, 電路如圖4 所示. 控制器在運(yùn)行時可以方便地在線修改有關(guān)參數(shù). 采用這種方法可減輕cpu 在掃描鍵盤和刷新顯示時的負(fù)擔(dān), 也簡化了編程.圖4 8279 溫度設(shè)定/顯示電路3 控制算法及參數(shù)整定3.1 控制算法pid 控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制方法, 其結(jié)構(gòu)簡單, 參數(shù)整定方便,原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面較寬等特點(diǎn) 而且對大多數(shù)過程均有較好的控制效果,近半個世紀(jì)來一直是應(yīng)用最廣泛的一種控制器 因而本系統(tǒng)采用了p id 算法.對于采用調(diào)壓調(diào)功方式的溫度控制, pid 算式應(yīng)當(dāng)采用位置算式, 即u (k )

14、 = u (k - 1) + u (k )式中，kc，ti，td 分別為模擬調(diào)節(jié)器的比例增益，積分時間和微分時間；u0 為偏差 e=0時的調(diào)節(jié)器輸出，常稱之為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。其中u (k ) = k p e (k ) - e (k - 1) + k ie (k ) + kd e (k ) - 2e (k - 1) + e (k - 2) 溫度變化是個慢過程, 若單純采用p id 控制, 當(dāng)有較大擾動或大幅度改變給定值時, 會產(chǎn)生較大的偏差, 此時在積分項(xiàng)的作用下, 往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動. 因此在系統(tǒng)中采用了p id算法與時間最優(yōu)控制相結(jié)合的控制方式.時間最優(yōu)控制是pont ryagi

15、n 于1956 年提出的一種最優(yōu)控制方法. 它是研究滿足約束條件下獲得允許控制的方法, 也叫最大值原理. 用最大值原理可以設(shè)計(jì)出控制變量只在u ( t) 1 范圍內(nèi)取值時間最優(yōu)控制系統(tǒng). 而在工程上設(shè)u ( t) 1 都只取1 兩個值, 而且依照一定的法則加以切換, 使系統(tǒng)從一個初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)所經(jīng)歷的過渡時間最短, 這種類型的最優(yōu)切換系統(tǒng), 稱為開關(guān)控制(bang- bang) 系統(tǒng). 即uk =umaxe (k ) 00e (k ) 0uk 為t= kt 時控制器的輸出, umax為系統(tǒng)的最大輸出, e (k ) 為溫度給定值與測量值之差, 當(dāng)偏差大于零時, 控制器輸出最大值, 控制

16、對象加熱. 當(dāng)偏差小于等于零時, 控制器輸出0, 停止加熱. 這種算法具有控制簡單、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn), 但當(dāng)偏差接近零時, 系統(tǒng)容易發(fā)生振蕩. 因此, 采用p id 算法與時間最優(yōu)控制相結(jié)合的雙模控制方式, 控制規(guī)律為e (k ) e時間最優(yōu)控制e (k ) a 時，用 p或pd控制|e(k)| 2 時, 系統(tǒng)采用時間最優(yōu)控制。子程序流程如圖5 所示。4) 鍵盤中斷服務(wù)程序: 由“r ”鍵決定是否進(jìn)入設(shè)定溫度狀態(tài), 并且配合l ed 顯示器顯示設(shè)定溫度值。為防止輸入錯誤,設(shè)置了“c”鍵與“e”鍵,分別表示取消溫度設(shè)定與溫度設(shè)定成功退出。5)adc 中斷服務(wù)程序:完成對溫度傳感器輸入信號的采集,并

17、存入緩存區(qū)。原程序見附錄1結(jié) 論本系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)溫控試驗(yàn)以及連續(xù)運(yùn)行的可靠性試驗(yàn),最終確定了pid算法的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)施加給定升溫時, 在2080范圍內(nèi)最大動態(tài)超調(diào)小于2, 穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2,系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。恒溫控制的精度不僅取決于系統(tǒng)是否是一階無靜差的,還取絕于檢測通道的精度、控制算法的運(yùn)算精度、工程量變換的精度等。 致 謝 首先，感謝在大學(xué)四年里所有教過我的老師，感謝他們教給我知識，還有做人的道理，他門廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。 在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師朱俊杰老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我撰寫

18、論文的過程中，朱老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了朱老師熱心的鼓舞、悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助。 寫作過程中，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議、支持和幫助，在此一并致以誠摯的謝意。 感謝所有關(guān)心、支持、幫助過我的良師益友。 參 考 文 獻(xiàn)1 孫虎章.自動控制原理.北京:中央廣播電視大學(xué)出版社.19842 李友善.自動控制原理.修訂版.北京:國防工業(yè)出版社.19893 楊自厚.自動控制原理.北京:冶金工業(yè)出版社.19804 吳麒.自動控制原理.北京:清華大學(xué)出版社.19905 孟憲薔.控制系統(tǒng)工程.北京:航空工業(yè)出版社

19、.19926 緒方勝彥.現(xiàn)代控制工程.盧伯英等譯.北京:科學(xué)出版社.19767 郭鎖鳳.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京:航空工業(yè)出版社,19968 南航,西工大,北航合編.自動控制原理.北京:國防工業(yè)出版社,19969 張培強(qiáng).matlab語言演草紙式的科學(xué)計(jì)算語言.合肥:中國科技大學(xué)出版社,199610周明等.matlab圖形技術(shù)繪圖及圖形用戶借口.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,199911李人厚.精通matlab綜合輔導(dǎo)與指南.西安”西安交通大學(xué)出版社 ,199812夏紅,王慧,李平.pid參數(shù)的繼電器自整定.浙江大學(xué)學(xué)報(bào).1997.31增刊13陶永華,伊怡欣等.新型pid控制及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出

20、版社,199814黃忠霖.控制系統(tǒng)matlab計(jì)算及仿真.北京:國防工業(yè)出版社,200115韓利竹,王華.matlab電子仿真與應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社,200316羅建軍,揚(yáng)綺.精講多練matlab.西安:西安交通大學(xué)出版社,200217姚俊,馬松輝.simulink建模與仿真.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,200218何立民. 單片機(jī)應(yīng)用文集m . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1990.19何忠克, 李偉. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)m . 北京: 清華大學(xué)出版社, 1998.20崔東劍, 于宏偉. 力源電子工程z . 武漢: 武漢力源電子股份有限公司, 2000.21解宏基, 任光. 一種多

21、功能變頻恒壓供水單片機(jī)控制系統(tǒng)j . 自動化博覽, 1999.22劉金琨.先進(jìn)pid控制及其matlab仿真m.北京：電子工業(yè)出版社,2003. 23薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析m.北京：清華大學(xué)出版社,2000. 24錢積新 王慧 周立芳.控制系統(tǒng)得數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003. 附錄1程序清單temper_l equ 29h ;用于保存讀出溫度的低8位temper_h equ 28h ;用于保存讀出溫度的高8位flag equ 38h ;是否檢測到ds18b20標(biāo)志位dayu equ 44h ;設(shè)溫實(shí)溫xiyu equ 45h ;設(shè)溫實(shí)溫deyu equ 4

22、6h ;設(shè)溫=實(shí)溫gaole equ 47h ;水溫高于最高溫度dile equ 48h ;水溫低于最低溫度a_bit equ 79h ;數(shù)碼管個位數(shù)存放內(nèi)存位置b_bit equ 7ah ;數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置c_bit equ 78h ;數(shù)碼管小數(shù)存放內(nèi)存位置 org 0000h ajmp start org 0003h ajmp pito org 0030h start: clr p1.7 clr p1.3 clr p1.5 setb p1.6 mov r4, #00h mov sp, #60h ;確立堆棧區(qū) mov psw, #00h ; mov r0, #20h ;ram區(qū)首地址

23、 mov r7, #60h ;ram區(qū)單元個數(shù) ml: mov r0, #00h inc r0 djnz r7, ml clr it0 main:lcall get_temper ;調(diào)用讀溫度子程序進(jìn)行溫度顯示,這里我們考;慮用網(wǎng)站提供的兩位數(shù)碼管來顯示溫度 ;顯示范圍00到99度,顯示精度為1度 ;因?yàn)?2位轉(zhuǎn)化時每一位的精度為0.0625度, ;我們不要求顯示小數(shù)所以可以拋棄29h的低4;位將28h中的低4位移入29h中的高4位,這;樣獲得一個新字節(jié),這個字節(jié)就是實(shí)際測量獲;得的溫度 lcall display ;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序 jnb 00h, main clr 00h mov a

24、, 38h cjne a, #00h, ss ajmp main ss: lcall get_temper lcall display;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序 lcall bijiao lcall xiaoyu lcall jixian jnb deyu ,loop clr p1.3 ;關(guān)加熱器 setb p1.6 ;關(guān)藍(lán)燈 setb p0.7 ;關(guān)風(fēng)扇 clr deyu lcall get_temper lcall display ajmp tt2 loop:jnb dayu ,tt clr dayu setb p1.3 setb p1.6 setb p0.7 clr p1.7 lcall g

25、et_temper lcall display ajmp tt2 tt:jnb xiyu, tt2 clr xiyu clr p0.7 clr p1.6 clr p1.3 clr p1.7 lcall get_temper lcall display tt2:mov a, 29h clr c cjne a, 50h, jx mov a , 30h clr c cjne a, 51h, jia1 ajmp ys2 jia1:jc jx mov a, 51h mov 52h, a add a, #2 mov 52h, a clr c mov a, 30h cjne a, 52h, jia2 jia

26、2:jnc jx ys2:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys1:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys1 ys3:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys0:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys0 clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys01:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys01 ys4: