基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字PID制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

的電加熱爐溫度控」、總體設(shè)計(jì)方案 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1具體設(shè)計(jì)考慮 1【、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì) 2PID控制算法 2數(shù)字PID的實(shí)現(xiàn) 3三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 5選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型一8031溫度控制路 5設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路 5轉(zhuǎn)換電路 6信號(hào)處理電路 6主電路 7四、軟件設(shè)計(jì) 8系統(tǒng)資源 8編寫A/D轉(zhuǎn)換和位置檢測(cè)子程序框圖 9編寫控制程序和D/A轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖 10五、軟件說(shuō)明以及電路圖 11六、參考文獻(xiàn) 12基于數(shù)字PID 的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級(jí)開始設(shè)計(jì)，選用 MCS-51單片為主控機(jī)。通過(guò)擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量和控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)89C51單片機(jī)為核心，由溫度測(cè)量變換、測(cè)量放大、大功率運(yùn)放、A/DD/A轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤顯示、存儲(chǔ)器共同組成。在系統(tǒng)中，溫度和時(shí)間的設(shè)置、溫度值及誤差顯示、控制參數(shù)得設(shè)置、運(yùn)行、暫停及復(fù)位等功能由鍵盤及顯示電路完成。執(zhí)行部件加掛片1-1存帰器單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案原理示意圖傳感器把測(cè)量的烘箱溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入主機(jī)（單片機(jī)8031）。具體設(shè)計(jì)考慮1 0?120°C,88位ADC0809A/D0.5°C;為了方便操作，系統(tǒng)可不擴(kuò)展專用鍵盤，溫度2BCD4LED;為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)8DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器。2、溫度測(cè)量可以選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590它的響應(yīng)速度快，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單。其測(cè)溫范圍為-55?+150°C,4?30V,輸出電流與絕對(duì)溫度成正1MA/KZKZP-II型線性電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，用它來(lái)調(diào)節(jié)通入烘D/A轉(zhuǎn)換器輸出的可調(diào)電流控制，0mA對(duì)應(yīng)閥門完全關(guān)閉，10mA對(duì)應(yīng)閥門全打開。3、可采用帶死區(qū)的比例積分（PI）控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。烘箱溫 度給定值的偏差小時(shí)，調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作，以減少閥的機(jī)械磨損；偏差較大時(shí)，經(jīng) D/A輸出控制信號(hào)控制閥門的開度，為了使控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可33A/DA/DPI3個(gè)參數(shù)在線整定。這種方法不僅可使參數(shù)調(diào)整方便，而且具有掉電保護(hù)功能。二、控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)PID控制算法PID工作基理：由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì) 象保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動(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)將這種變化采集后經(jīng)變送器送PID控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡(jiǎn)稱SP值）進(jìn)行比較得到偏差值（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 發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，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），以達(dá)到控制目的，其實(shí)PID的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差（e值）進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算。PID控制器的控制規(guī)律可以描述為：的被控對(duì)象的控制特性，又可以分為P、PI、PDPID等不同的控制模型。_1n的被控對(duì)象的控制特性，又可以分為P、PI、PDPID等不同的控制模型。_1n比例設(shè)定-eT1r積分_++eT執(zhí)行部件yJ微分 X,F-圖 2-1PID的實(shí)現(xiàn)在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)（模擬PID控制系統(tǒng)）中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)引入到PID控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID控制。由于計(jì)算機(jī)基于采樣控制理論，計(jì)算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬 PID控制算法（如公式1所示），所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T為采樣周期，k為釆樣序號(hào), 用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替分，這樣可以將連續(xù)的 PID計(jì)算公式離散:tkT

kTe(jT)Te(T)

k0,1,2kdet ekTek1Tj0 j0dt1就可以離散為:UkKpek

TTj kk1 0T1或者kkpk1j0

Dkk10這樣就可以讓計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)通過(guò)釆樣的方式實(shí)現(xiàn) PID控制，具體的PID控制又分為位置式PID控制和增量式PID控制，公式4給出了控制量全部大小,所以稱之為全量式或者位置式控制；如果計(jì)算機(jī)只對(duì)相鄰的兩次作計(jì)算，只 考慮在前一次基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)PID控制算法，其實(shí)質(zhì)就是求Ap的大小，而UkUkUk14做自減變換有：控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法釆用數(shù)字 PID調(diào)節(jié)應(yīng)用增量型控制算法，并對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效考慮到電加熱爐是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制理論成果，與定性知識(shí)相結(jié)合，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，在實(shí)時(shí)控制中取得較好的成果。三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)選擇計(jì)算機(jī)機(jī)型一8031溫度控制電路8031X 寸溫度的控制是通過(guò)雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。在給定周期 T內(nèi)，8031要改變可控硅管的接通時(shí)間即可改變加熱絲的功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的?？煽毓杞油〞r(shí)間可以通過(guò)可控硅控制極上觸發(fā)脈沖控制。該觸發(fā)脈沖 由8031用軟件在P3.1引腳上產(chǎn)生，在過(guò)零同步脈沖同步后經(jīng)光電耦合管和驅(qū)動(dòng)器輸出送到可控硅的控制極上。如圖是單片機(jī)8051的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路根據(jù)總體方案8031276482554LH)顯示溫度、聲光報(bào)警和擴(kuò)展光電隔型DAC0?10mA88ADC080933個(gè)可調(diào)控制參數(shù)BCD碼給8031P1口相連。完整的硬件電路組成是通過(guò)8255PAPCC?PC34LH）;通過(guò)PC5擴(kuò)展光電隔型D/A,DAC0832設(shè)置為單緩沖方式，Vkhk=_5V,于是經(jīng)運(yùn)算放A10?5V可調(diào)直流電壓，再經(jīng)運(yùn)算放大器A2在復(fù)合三極管T的集電極和+12V0?10mA可調(diào)電流，以便控制電動(dòng)閥的動(dòng)作（RW1于調(diào)整滿量程值，D1用于保護(hù)三極管T）;通過(guò)總線直接擴(kuò)展ADC0809,由于僅使用4路，故選擇通道的C端直接接地，由于溫度傳感器是輸出電流信號(hào)且與絕溫度成正比， 故釆用電平移動(dòng)電路及放大電路使運(yùn)算放大器A3輸出電壓值與攝氏溫度成正比（RW2,RW3節(jié)）；聲音報(bào)警電路中，蜂鳴器采用長(zhǎng)鳴形式，由門電路構(gòu)成Is振蕩器產(chǎn)生的響音；2BCD8031P12kQ接地。由于各擴(kuò)展芯片用線選發(fā)產(chǎn)生片選信號(hào)，故他們的接口地址分別為：2764:0000H-1FFFHB003H轉(zhuǎn)換電路

8255 :7000H—7003H ADC0809 :B000H-在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由于 AD590為電流輸出元件,1K,AD59010K的電阻時(shí)，這個(gè)10mV10mV/K,為了使此電阻精確（0.1%）9.1K10KQ圖所示是一個(gè)電流/電壓和絕對(duì)/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器A1以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放A2A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓（1.235V）,2.73V。這樣，A1A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。將AD5900°C的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.73VA22.73V,A1A2兩輸出端之間的電壓:2.73-2.73=0°C即對(duì)應(yīng)于0°G3-3電流/電壓和絕對(duì)/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路信號(hào)處理電路CC溫度檢測(cè)的小信號(hào)放大與絕對(duì)/攝氏溫度轉(zhuǎn)換采用圖電路，其中Rw用來(lái)完成對(duì)/攝氏溫度轉(zhuǎn)換及調(diào)零功能，運(yùn)放要求采用一片集成普通四運(yùn)放 LM324來(lái)完成圖的信號(hào)處理功能，其工作電源取單電源 V=9匕設(shè)計(jì)中電阻元件可參考下列取值：R仁R2=10KR3=R4=20KR5=R6=20KRg=5KRw=10K高頻濾波電容可取C=0.01MF。CC3-4信號(hào)處理電路主電路4-4所示，溫度檢測(cè)信號(hào)輸入ADC0809IN3引腳，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換AT89C51,P12LK）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能。3-5溫度檢測(cè)主電路四、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)資源為了編程方便，可以把8031128BRAMEQU或DATA定義。如果先對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配，本系統(tǒng)可分配為：24H 8031P1 TBCD值暫存主程序框圖:圖4-1 主程序圖A/D轉(zhuǎn)換和位置檢測(cè)子程序框圖：ADC0809是一個(gè)典型的逐次逼近型8A/D8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時(shí)輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時(shí)鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r(shí)鐘為500KHz128us.P1D控制算法程序PSW壓棧A/D結(jié)果關(guān)閉報(bào)警關(guān)閉報(bào)警5J20%F0Fi)ni交流電是否過(guò)零啟動(dòng)也時(shí)器丁|輸出控制站PSW出棧并返四圖4—2A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)流程圖D/A轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖TO中斷服務(wù)程序是溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀入釆樣數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，越限溫度報(bào)警和越限處理，PID計(jì)算和輸出可控桂的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步觸發(fā)脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器的溢出中斷控制，8031利用等待T1溢出中斷空隙時(shí)間完成把本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示。C開始）啟動(dòng)前準(zhǔn)備啟動(dòng)前準(zhǔn)備J5動(dòng)ADC0804開始轉(zhuǎn)換工延時(shí)圖4-3D/A 轉(zhuǎn)換程序圖五、軟件說(shuō)明以及電路圖本設(shè)計(jì)介紹的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，可了解微機(jī)系統(tǒng)硬、軟件的構(gòu)成及各種控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性的影響。系統(tǒng)用 PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制，可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到土0.1°C,準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都可以令人滿意。系統(tǒng)還單回路控制為例，極易擴(kuò)展成多回路控制。MCS-51單片機(jī)，體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，即使是非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過(guò)學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來(lái)開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本文的溫度控制系統(tǒng)，只是單片機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中的一例，相信單片機(jī)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛化。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有多種，上述方案是從多種方案中選出的最