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

德州學(xué)院物理系 電子信息工程 課程設(shè)計(jì)德州學(xué)院物理系 電子信息工程 課程設(shè)計(jì)-1-基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)可以從元件級開始設(shè)計(jì)，選用MCS-51單片機(jī)為主控機(jī)。通過擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對溫度的測量和控制。1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，由溫度測量變換、測量放大、大功率運(yùn)放、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、輸入光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤顯示、存儲器共同組成。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。1-1單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案原理示意圖傳感器把測量的烘箱溫度信號轉(zhuǎn)換成弱電壓信號，經(jīng)過信號放大電路，送入低通濾波電路，以消除噪音和干擾，濾波后的信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入主機(jī)（單片機(jī)8031)。1.2具體設(shè)計(jì)考慮1、由于溫度測量范圍為0?120°C，控制精度也不高，可選用8路8位ADC0809作A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率可達(dá)0.5°C;為了方便操作，系統(tǒng)可不擴(kuò)展專用鍵盤，溫度給定輸入可用2位BCD碼撥盤開關(guān)置數(shù)；溫度顯示可用4位LED;為了實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)蒸汽流量控溫，可擴(kuò)展8位DAC0832作D/A轉(zhuǎn)換器。2、溫度測量可以選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590，它的響應(yīng)速度快，與單片機(jī)接口簡單。其測溫范圍為-55?+150°C,工作電壓4?30V，輸出電流與絕對溫度成正比，即為1MA/K。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可選用ZKZP-II型線性電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，用它來調(diào)節(jié)通入烘箱的蒸汽流量。調(diào)節(jié)閥用D/A轉(zhuǎn)換器輸出的可調(diào)電流控制，0mA對應(yīng)閥門完全關(guān)閉，10mA對應(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)對溫度的控制。烘箱溫度與給定值的偏差小時(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)PI算法運(yùn)算后，單片機(jī)通過D/A輸出控制信號控制閥門的開度，為了使控制參數(shù)現(xiàn)場可調(diào)，可用3個(gè)電位器產(chǎn)生3路可調(diào)電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對PI算法的3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?？刂葡到y(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)2.1PID控制算法PID工作基理：由于來自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值(以下簡稱被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會(huì)將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡稱SP值)進(jìn)行比較得到偏差值(以下簡稱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，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)場控制對象值發(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：比例（P)控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（I)控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分（D)控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID等不同的控制模型。比例+設(shè)定- e積分+e執(zhí)行部件y微分+-圖2-12.2數(shù)字PID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，長期以來形成了典型的結(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，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的PID計(jì)算公式離散：這樣就可以讓計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)通過釆樣的方式實(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給出了控制量的全部大小，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)輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計(jì)算，這種控制叫做增量式PID控制算法，其實(shí)質(zhì)就是求Ap的大小，而所以將式4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，與定性知識相結(jié)合，做到取長補(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)3.1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雙向可控硅實(shí)現(xiàn)的。在給定周期T內(nèi)，8031只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。可控硅接通時(shí)間可以通過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)。3.2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，采用8031外擴(kuò)2764作程序存儲器；外擴(kuò)8255用于4位LH)顯示溫度、聲光報(bào)警和擴(kuò)展光電隔型DAC產(chǎn)生0?10mA可調(diào)電流控制電動(dòng)閥；外擴(kuò)8路8位ADC0809作溫度測量和通過3個(gè)電位器產(chǎn)生3個(gè)可調(diào)控制參數(shù)；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口相連。完整的硬件電路組成是通過8255的PA口和PC0?PC3口擴(kuò)展4位LH);通過PB口和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)算放大器A1后產(chǎn)生0?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+12V電源之間產(chǎn)生0?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且與絕對溫度成正比，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分別用語溫度測量電路的零點(diǎn)調(diào)節(jié)和滿量程調(diào)節(jié)）；聲音報(bào)警電路中,蜂鳴器采用長鳴形式，由門電路構(gòu)成Is振蕩器產(chǎn)生的響音；2位BCD碼給定撥盤則和8031的P1口直接接口，各位又通過2kQ電阻接地。由于各擴(kuò)展芯片用線選發(fā)產(chǎn)生片選信號，故他們的接口地址分別為：2764：0000H—1FFFH8255：7000H—7003HADC0809：B000H—B003H3.3轉(zhuǎn)換電路在設(shè)計(jì)測溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。由于AD590為電流輸出元件,它的溫度每升高1K，電流就增加1W\。當(dāng)AD590的電流通過一個(gè)10K的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV即轉(zhuǎn)換成10mV/K,為了使此電阻精確（0.1%)，可用一個(gè)9.6K的電阻與一個(gè)1K電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的10KQ。圖所示是一個(gè)電流/電壓和絕對/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運(yùn)放A2的作用是把絕對溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓（如1.235V),然后將此電壓放大到2.73V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。將AD590放入0°C的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.73V，同樣使A2的輸出電壓也為2.73V,因此A1與A2兩輸出端之間的電壓：2.73-2.73=0°C即對應(yīng)于0°C。圖3-3電流/電壓和絕對/攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路3.4信號處理電路溫度檢測的小信號放大與絕對/攝氏溫度轉(zhuǎn)換采用圖電路，其中Rw用來完成絕對/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來完成圖的信號處理功能，其工作電源取單電源VCC=9V。設(shè)計(jì)中電阻元件可參考下列取值：R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、Rg=5K、Rw=10K；高頻濾波電容可取C=0.01MF。圖3-4信號處理電路3.5主電路主電路如圖4-4所示，溫度檢測信號輸入ADC0809的IN3引腳，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入AT89C51,結(jié)果從P1口輸出驅(qū)動(dòng)2個(gè)LK)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示功能。圖3-5溫度檢測主電路四、軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)資源為了編程方便，可以把8031的內(nèi)部128BRAM先進(jìn)行分配；也可在程序中用標(biāo)號代替，最后用EQU或DATA定義。如果先對內(nèi)存進(jìn)行分配，本系統(tǒng)可分配為：24H8031P1口的T給足BCD值暫存。主程序框圖：圖4-1主程序圖4.2編寫A/D轉(zhuǎn)換和位置檢測子程序框圖：ADC0809是一個(gè)典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由8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500KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為128us.圖4—2A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)流程圖4.3編寫控制程序和D/A轉(zhuǎn)換控制子程序模塊框圖T0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。圖4-3D/A轉(zhuǎn)換程序圖五、軟件說明以及電路圖本設(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)還以單回路控制為例，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，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(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