計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)專業(yè)過程裝備與控制工程班 級 過控1301班學(xué)生姓名王學(xué)生學(xué)號2013指導(dǎo)教師張?zhí)砉ご髮W(xué)化學(xué)化工學(xué)院2016年12月計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在生活中和國民生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，生活中隨處可見的智能燈具 設(shè)計(jì)和控制、照明色彩合理搭配、智能電子廣告的設(shè)計(jì)和應(yīng)用等，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)體現(xiàn)著 越來越重要的作用，在生活中隨處可見。其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用更為重要，體統(tǒng)的控制， 工業(yè)過程的控制，計(jì)算機(jī)軟件通過計(jì)算機(jī)硬件的接口對加工刀具進(jìn)行控制，發(fā)展趨勢就是 全面的自動控制。

2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)試之按生產(chǎn)過程 控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩個部分。生產(chǎn)過程包括被控對象 和測量便送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。計(jì)算機(jī)引入控制領(lǐng)域是60年代。這種系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器主要是采用模擬調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)中既有計(jì)算機(jī)又有調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)復(fù)雜，投資又大，這 種系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在 60年代末期出現(xiàn)了用一臺計(jì)算機(jī)直接控制一個機(jī)組或一 個車間的控制系統(tǒng)，簡稱集中控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中起 到了積極作用。在這種控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)不但完成操作處理，還可直接根據(jù)給定值、過 程變量和過程中其它的測量值，通過 PID運(yùn)算

3、，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。這種控制系統(tǒng)是 直接數(shù)字控制系統(tǒng)，簡稱DDC（統(tǒng)。DDC控制的基本思想是使用一臺計(jì)算機(jī)代替若干個 調(diào)節(jié)控制回路功能。最初發(fā)展時希望能夠至少可以控制50個回路以上，這在當(dāng)時對小規(guī)模、自動化程度不高的系統(tǒng)，特別是對具有大量順序控制和邏輯判斷操作的控制系統(tǒng)來說 收到了良好的效果。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)目的通過對一個實(shí)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識，理論聯(lián)系 實(shí)際、分析解決實(shí)際問題的初步應(yīng)用能力。提高學(xué)生的工程認(rèn)知和初步實(shí)踐能力，獲得控 制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的認(rèn)識和實(shí)際應(yīng)用， 使學(xué)生從整體上了解

4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)原則，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和整體設(shè)計(jì)方法和步驟，編程調(diào)試，為將來將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)過程打下基 礎(chǔ)。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)以常用計(jì)算機(jī)如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC或單片機(jī)為主控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)總體 方案的設(shè)計(jì)、論證和選擇；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，字?jǐn)?shù)不少于3000字。1、根據(jù)選做題目自行確定控制要求和控制精度，如：若選定溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需確 定溫度控制范圍和控制精度等。2、軟件設(shè)計(jì)方案及要求分析被控參數(shù)特性、數(shù)學(xué)模型，確定控制規(guī)律及方法（控制規(guī)律和方法包括：PID算法、最小拍、達(dá)林算法等。要求利用 MATLAB進(jìn)行仿真研究，分析并給出被控變量，偏差 和

5、控制器輸出波形圖，詳細(xì)說明 PID控制算法參數(shù)整定過程）；3、硬件設(shè)計(jì)方案及主要器件詳細(xì)選型，完成選型分析和計(jì)算，指明供貨廠商、產(chǎn)品 具體型號、技術(shù)參數(shù)等。繪制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖，并根據(jù)以上器件選型，畫出模擬 量輸入、輸出通道電路接口線路原理接線圖或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。主要器件包括：工業(yè)計(jì)算機(jī)主機(jī)、輸入通道（傳感器、變送器、A/D模塊等）輸出通道（D/A模塊或模板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）等器件。提示：硬件選型可在相應(yīng)產(chǎn)品商家網(wǎng)站上或技術(shù)論壇搜索獲取資料進(jìn)行器件或模板選 型。三、設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容設(shè)計(jì)一個針對大純時延一階慣性對象（G（s）=-）的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) Ts 1具體內(nèi)容：1）自己設(shè)定系統(tǒng)性能指標(biāo)，對象傳函

6、，以及系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式。（比如：加熱120eq0062 s爐溫度控制系統(tǒng)，廣義對象傳遞函數(shù)為G（s）=9e，要求測量范圍-50C0.0124s 1、八、 Ke-s200C,測量精度0.5%,分辨率02C）；或電阻加熱爐溫度控制對象模型：G（s） =,T s 1K=50, T=30s,乎10s,電阻加熱爐功率 800w, 220v交流供電?？販胤秶?0c350C；保溫階段控制精度：土 1C）2 ）選擇一種控制算法，設(shè)計(jì)出 D（z）。建議先用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)出的控制算法進(jìn)行比 較。（由于控制對象的純時延特性常導(dǎo)致控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。有資料指出，當(dāng)對象的純延遲時間

7、與對象慣性時間常數(shù) Tm之比大于等于0.5時，采用常規(guī)PID算法難以獲得良好的系統(tǒng)性能，因此考慮采用達(dá)林算法。）3）硬件設(shè)計(jì)方案及主要器件詳細(xì)選型：繪制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖，主要器件包括： 工業(yè)計(jì)算機(jī)主機(jī)、輸入通道（傳感器、變送器、A/D模塊等）輸出通道（D/A模塊或模板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）等器件，并根據(jù)以上器件選型，指明供貨廠商、產(chǎn)品具體型號、技 術(shù)參數(shù)等。提示：硬件選型可在相應(yīng)產(chǎn)品商家網(wǎng)站上或技術(shù)論壇搜索獲取資料進(jìn)行器 件或模板選型。4）軟件設(shè)計(jì)方案及要求：分析被控參數(shù)特性、數(shù)學(xué)模型，確定控制規(guī)律及方法（控制規(guī) 律和方法包括：PID算法、最小拍、達(dá)林算法等。要求利用 MATLAB進(jìn)行仿真研究，

8、分 析并給出被控變量，偏差和控制器在單位階躍和單位速度輸入下的輸出波形圖，詳細(xì) 說明PID控制算法參數(shù)整定過程）；目錄摘要6第一章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的控制要求和總體控制方案 71.1 系統(tǒng)的描述與分析71.2 方案的比較和確定8第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)82.1 總體設(shè)計(jì)82.2 溫度檢測電路 112.3 溫度控制電路122.4 人機(jī)對話電路13第三章電阻爐溫度系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)163.1 控制算法的確定163.2 數(shù)學(xué)模型的建立163.3 基MATLA防真被控對象 18第四章總結(jié)20參考文獻(xiàn)21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

9、。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)量和自動化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價值。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 滿足要求的電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)對象：電阻爐溫度控制系統(tǒng)關(guān)鍵字：電阻爐89C51單片機(jī)溫度控制A/D轉(zhuǎn)換電阻爐溫度控制系統(tǒng)第一章電阻爐溫度控制系統(tǒng)的控制要求和總體控制方案1.1 系統(tǒng)的描述與分析1.1.1 系統(tǒng)的介紹該系統(tǒng)的被控對

10、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。可控硅控制器 輸入為05伏時對應(yīng)電爐溫度0500C,溫度傳感器測量值對應(yīng)也為05伏，對象的特性為 帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，這里慣性時間常數(shù)取= 30秒，滯后時間常數(shù)取 l 10秒。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對 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。對此偏差按 PID規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，得出對應(yīng)的控制量來控制驅(qū)動 電路，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對

11、爐溫的控制。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度智能控制，能 自動完成數(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，否則會使干擾無法及時消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。1.1.2 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個基于閉環(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0500C；2 .加熱過程中恒溫控制，誤差為± 2C；3 . LED實(shí)時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為 1 C ；4 .采用直接數(shù)字控制算法，要求誤差小

12、，平穩(wěn)性好；5 .溫度超出預(yù)置溫度士 5c時發(fā)出報(bào)警。1.2方案的比較和確定系統(tǒng)采用8031作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉(zhuǎn)換為電信號經(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 而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8031來說，其內(nèi)部只有128個字節(jié)的RAM , 沒有程序存儲器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8031進(jìn)行存儲器擴(kuò)展和I/O 口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴(kuò)時占用的 I/O 口較多，使 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。系統(tǒng)采用89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對爐溫的控制和鍵盤顯示功能。8051片內(nèi)

13、除了 128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了 4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過 4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時，只需要外擴(kuò)一個容量較小的程序存儲器，占用的 I/O 口減少，同時也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計(jì)提供了硬件資源，簡化了設(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。第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1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、溫度控制、人機(jī)對話（鍵盤/顯示/ 報(bào)警）4個主要部分，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

14、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。預(yù)置溫度的顯示及定時器 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、控制和報(bào)警。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 50HTEMP2 EQU TEMQ1+1ST1EQU 52HST2EQU 53HT100EQU 54HT10 EQU T100+1T EQU T100+2BT1 EQU 57HBT2 EQU BT1+1ADIN0 EQU 7FF8HF0BIT PSW.5;當(dāng)前檢測溫度（高位）;當(dāng)前檢測溫度（低

15、位）;預(yù)置溫度（高位）;預(yù)置溫度（低位）;溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（百位） ;溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（十位） ;溫度BCD碼顯示緩沖區(qū)（個位） ;溫度二進(jìn)制碼顯示緩沖區(qū)（高位） ;溫度二進(jìn)制碼顯示緩沖區(qū)（低位）;ADC 0809通道IN0的端口地址;報(bào)警允許標(biāo)志TEMP1 DB 00H ,00H ,00H ,00H ,00H ,00H ,00H ,00H; 50H58H單元初始化G青零）ORG 0000HAJMP MAINORG 00BHAJMP PT0;轉(zhuǎn)T0中斷服務(wù)子程序ORG 0030HMAIN : MOV SP, #59HCLR F0MOV TMOD , #01HMOV TL0 , #0

16、B0HMOV TH0 , #3CHMOV R7, #150SETB ET0SETB EASETB TROMAIN1 : ACALL KINACALL DISPSJMP MAIN1定時器0中斷服務(wù)子程序PT0:PT0:MOV TL0 , #0BOHMOV TH0 , #3CHDJNZ R7, BACKMOV R7, #150ACALL TINMOV BT1 , TEMP1MOV BT0 , TEMP0ACALL DISPACALLCONTACALL ALARMBACK: RETI;設(shè)堆棧標(biāo)志;報(bào)警標(biāo)志清零;定時器0初始化（方式1）;定時器100ms定時常數(shù);置15s軟計(jì)數(shù)器初值;允許定時器0中斷

17、;開中斷;啟動定時器0;調(diào)鍵盤管理子程序;調(diào)用顯示子程序;重置定時器0初值;15s到否，不到返回;重置軟計(jì)數(shù)器初值;溫度檢測;當(dāng)前溫度送到顯示緩沖區(qū);顯示當(dāng)前溫度;溫度控制;溫度越限報(bào)警開始俁護(hù)現(xiàn)場開始重置定時器。初值定義堆棧區(qū)軟定時器減11見到？開定時器中斷。重置軟定時器口初值調(diào)用鍵盤管理子程序調(diào)用溫度檢測子程序當(dāng)前溫度送顯示蝮沖區(qū)調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序調(diào)用溫度控制子程序調(diào)用報(bào)警子程序中斷返回112.2溫度檢測電路定時器以軟定時器 各數(shù)據(jù)畿沖區(qū) 各標(biāo)志位初始化計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)-過控1301班-段頡頑-2013003019WZB-003的鋁熱電阻，可滿足本系統(tǒng)0500c測量范圍的要

18、求。變送器將電阻信號轉(zhuǎn)換成 與溫度成正比的電壓，當(dāng)溫度在 0500c時變送器輸出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0500c的溫度變化對應(yīng)于 04.9v的輸出，則A/D轉(zhuǎn)換對應(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）。為提 高采樣的可靠性，對采樣溫度進(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

19、法。因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測的當(dāng)前溫度。溫度檢測子程 序流程圖如圖4-3所示。圖4-3溫度檢測子程序流程圖2.3 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)信號通過光電隔離器和驅(qū)動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，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，繼電器斷開，停止加熱；當(dāng)二者相等時電路保持原來狀態(tài)； 當(dāng)溫度降低到比預(yù)置溫度低 2c時，再重新啟動加熱；當(dāng)前溫度超出報(bào)警上下限時將啟動 報(bào)警

20、，并停止加熱。由于電爐加熱時，當(dāng)前溫度有可能低于報(bào)警下限，為防止誤報(bào)，在未 達(dá)到預(yù)置溫度時，不允許報(bào)警，為此設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志位F0。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2.4 人機(jī)對話電路2.4.1 鍵盤管理為使系統(tǒng)簡單緊湊，鍵盤只設(shè)置四個功能鍵，分別是“啟動鍵”、“百位”、“十位”和“個位”。由P1 口低四位作為鍵盤接口。利用數(shù)字鍵可以分別對預(yù)置溫度的百位、十位和個位進(jìn)行0500c的溫度設(shè)置。程序設(shè)有預(yù)置溫度合法檢測報(bào)警，當(dāng)預(yù)置溫度超過500c時會報(bào)警并且將溫度設(shè)為500Co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2.4.2數(shù)碼顯示本系統(tǒng)設(shè)有3

21、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：DISP: ACALL HTBMOV SCON,#00HMOV R2,#03HMOV R0,#T100LD:MOV DPTR,#TABMOV A,R0MOVC A,A+DPTR;調(diào)用將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCM的子程序HTB;置用行口為方式0;顯示位數(shù)送R2;顯示緩沖區(qū)首地址送R0;指向字符碼表首地址;取出顯示數(shù)據(jù);查表MOV SBUF,AWAIT JBC TI,NEXTSJMP WAITNEXT INC R0DJNZ R2,LDRET;字符碼送審行口;發(fā)送結(jié)束轉(zhuǎn)下一個數(shù)據(jù)

22、并清除中斷標(biāo)志;發(fā)送未完等待;修改顯示緩沖區(qū)指針;判斷3位顯不完否，未完繼續(xù)TAB2.4.3報(bào)警報(bào)警功能由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)由于意外因素導(dǎo)致電阻爐溫度高于設(shè)置溫度時，單片機(jī)驅(qū) 動蜂鳴器鳴叫報(bào)警。報(bào)警上限溫度值為預(yù)置溫度 +5C,即當(dāng)前溫度上升到高于預(yù)置溫度 +5C時報(bào)警，并停止加熱；報(bào)警下限溫度值設(shè)為預(yù)置溫度 -5C,即當(dāng)前溫度下降到低于預(yù)圖4-6報(bào)警子程序流程圖置溫度-5C,且報(bào)警允許時報(bào)警，這是為了防止開始從較低溫度加溫時誤報(bào)警。報(bào)警的同 時也關(guān)閉電電爐。圖4-6為報(bào)警子程序流程圖。第三章電阻爐溫度系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 控制算法的確定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)

23、學(xué)模型可表示為:(2-1)_ KeG(s)二Ts 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，Kp的加大，會引起系統(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，只要有足夠的時間，積分控制將能 完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會使系統(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，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時 問，從而改善系統(tǒng)的動態(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。

24、模擬PID控制規(guī)律為：1 tde(t)u(t) = Kpe(t) + f e(t)dt +Td +(2-2)TI 0dt式中：e(t)=r(t) y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中 r(t)為給定 值，y(t)為被測變量值；Kp為比例系數(shù)；T為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u為 調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)字方程式必須加以變換。設(shè)采樣周期為 T, 第k次采樣得到的輸入偏差為e(k),調(diào)節(jié)器的輸出為u(k),作如下近似：誓走Wk")(用差分代替微分) t2E J0e(t)dt總£ Te(i)(用求和代替積分)這樣，式(2

25、-2)便可改寫為：u(k)=Kpe(k)+?!k TeO+TD-k)-；"1)(2-3)T id：t其中，u(k)為調(diào)節(jié)器第k次輸出值；e(k)、e(k-1)分別為第k次和第k-1次采樣時 刻的偏差值。由式可知：u(k)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 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 值，而是其增量時，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)、

26、電動調(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，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過程狀態(tài)享有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加 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，計(jì)算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制 效果。(2)為實(shí)現(xiàn)手動一自動無憂切換，在切換瞬時，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)從手動到自動得的無憂動切換。(3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器

27、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，不會對生產(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控制算法的遞推形式為：u(k) = K e( k)- e(k 1)? K e(kb K e(k) 2e k + 1) e k (2-4) 式中，Kp為比例增益；Ki =KpT”為積分系數(shù)；Kd =KpTd/T為微分系數(shù)。為了編程方便，可將式(2-4)整理成如下形式：u(k) =q0e(k) +q1e(k -1) + q2e(k - 2)(2-5)式中：q0 = Kp(1+T +爭TITq = -Kp(1+2專)q2 = K p ,3.3基MATLA昉真被控對象采用matlab仿真，通過matlab模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算示。設(shè)采樣時間Ts=10s, 被控對象為：G(s)=0se1 30smatlab仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 matlab仿真圖選擇合適的Kp, Ki, Kd是系統(tǒng)的仿真效果