計算機控制技術基礎課程設計講解

#圖4-2主程序和中斷服務子程序的流程圖2.2溫度檢測電路溫度檢測電路包括溫度傳感器、變送器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。傳感器選用型號為

WZB-003的鉑熱電阻，可滿足本系統(tǒng)0~500°C測量范圍的要求。變送器將電阻信號轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓，當溫度在0~500C時變送器輸出0~4.9v左右的電壓。A/D轉(zhuǎn)換可采用ADC0809進行，亦可采用單片機內(nèi)部A/D功能進行。電路設計好后調(diào)整變送器的輸出，使0~500C的溫度變化對應于0~4.9v的輸出，則A/D轉(zhuǎn)換對應的數(shù)字量位00H~FAH,即0~250，轉(zhuǎn)換結果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標度變換的工作量，另一方面還可以避免標度變換帶來的計算誤差。本設計A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式（由P1.4查詢ADC0809的ECO轉(zhuǎn)換結束信號）。為提高采樣的可靠性，對采樣溫度進行數(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法。因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測的當前溫度。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通與斷開，從而控制電阻絲的通電加熱時間。將當前溫度與預置溫度比較，當前溫度小于預置溫度時，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當前溫度大于預置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當二者相等時電路保持原來狀態(tài);當溫度降低到比預置溫度低2°C時，再重新啟動加熱；當前溫度超出報警上下限時將啟動報警，并停止加熱。由于電爐加熱時，當前溫度有可能低于報警下限，為防止誤報，在未達到預置溫度時，不允許報警，為此設置了報警允許標志位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人機對話電路2.4.1鍵盤管理為使系統(tǒng)簡單緊湊，鍵盤只設置四個功能鍵，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)字鍵可以分別對預置溫度的百位、十位和個位進行0~500°C的溫度設置。程序設有預置溫度合法檢測報警，當預置溫度超過500°C時會報警并且將溫度設為500C。鍵盤管理子程序流程圖如圖4-5所示。DISP：DISP：ACALLHTBMOVSCON,#00HMOVR2,#03HMOVR0,#T100LD：MOVDPTR,#TABMOVA,@R0MOVCA,@A+DPTR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)設有3位LED數(shù)碼顯示器，用于顯示電阻爐的設定溫度和實際溫度。采用串行口擴展的靜態(tài)顯示電路作為顯示接口電路。顯示子程序DISP如下：;調(diào)用將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的子程序HTB;置串行口為方式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

MOVSBUF,A;字符碼送串行口WAIT：JBCTI,NEXT;發(fā)送結束轉(zhuǎn)下一個數(shù)據(jù)并清除中斷標志SJMPWAIT;發(fā)送未完等待NEXT：INCR0;修改顯示緩沖區(qū)指針DJNZR2,LD；判斷3位顯示完否，未完繼續(xù)RETTAB：…;字符碼表2.4.3報警報警功能由蜂鳴器實現(xiàn)，當由于意外因素導致電阻爐溫度高于設置溫度時，單片機驅(qū)動蜂鳴器鳴叫報警。報警上限溫度值為預置溫度+5P，即當前溫度上升到高于預置溫度+5°C時報警，并停止加熱；報警下限溫度值設為預置溫度-5°C，即當前溫度下降到低于預置溫度-5C，且報警允許時報警，這是為了防止開始從較低溫度加溫時誤報警。報警的同時也關閉電電爐。圖4-6為報警子程序流程圖。圖4-6報警子程序流程圖

第三章電阻爐溫度系統(tǒng)軟件設計3.1控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結構靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。系統(tǒng)的結構框圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)結構框圖3.2數(shù)學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)學模型可表示為:G(sG(s)=Ke〔、Ts+11(2-1)在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，K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p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)響應速度，減小調(diào)整時

間，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)律結合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。模擬PID控制規(guī)律為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"\hu(t)=K[e(t)+—』te(t)dt+T^^] (2-2)\o"CurrentDocument"\hpTo Ddti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；K為比例系數(shù)；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常數(shù)；u(t)為

p I D調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。因為計算機只能處理數(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：空也ae(k)—e(SD(用差分代替微分)dt Tjte(t)dtjte(t)dt0al^Te(i)i=1(用求和代替積分)這樣，式(2-2)便可改寫為：u(k)=K[e(k)+Tl^Te(i)+Te(k)~^~1)] (2-3)ii=1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)行機構的位置一一對應，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，而且輸出的控制量不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，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。所以在實際中當執(zhí)行機構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。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、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：位置型算式每次輸出與整個過程狀態(tài)字有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。

（2） 為實現(xiàn)手動一自動無憂切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度，若采用增量型算法，其輸出對應與閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)項，所以易于實現(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)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(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。正因為具有上述優(yōu)點，在實際控制中，增量型算法要比位置算法應用更加廣泛。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：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"\hlug=K[e(k)一e(k-1)]+Ke(k)+K[e(k)一2e(k-1)+e(k一2)] (2-4)p I D式中，K為比例增益；K=KT：T為積分系數(shù)；K=KTT為微分系數(shù)。p I p'I D pD'為了編程方便，可將式(2-4)整理成如下形式：Au(k)=qe(k)+qe(k-1)+qe(k-2) (2-5)\o"CurrentDocument"\h0 1 2式中：q-K(1q-K(1+——+-d)0 力力p、TTiq1T

=-K(1+2-d)

pTq13.3基MATLAB仿真被控對象采用matlab仿真，通過matlab模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算示。設采樣時間Ts=10s，被控對象為：G(G(s)-e-10s1+30smatlab仿真圖如圖5-1所示。圖5-1matlab仿真圖選擇合適的Kp,Ki,Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下:clearall;closeall;ts=4;sys=tf([1],[30,1],'inputdelay',10);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');[num,den]=tfdata(dsys,'v');kp=13;ki=0.4;kd=0.2;MATLAB仿真波形如圖5-2所示。

圖5-2MATLAB仿真波形第四章總結課程設計是對我們在這學期學到的微型計算機控制技術這門課的理論知識的一個綜合測評，是對我們將理論結合時間的綜合能力的考查，是培養(yǎng)我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是激發(fā)我們內(nèi)在創(chuàng)新意識的途徑。在此次課程設計中，我們學到了許多平時課堂上學不到的東西，比如：單片機系統(tǒng)的開發(fā)與可行性分析、電爐的設計與制作、器件的選型、程序的設計與調(diào)試、系統(tǒng)的調(diào)試以及平時沒有接觸到的在線編程與相關軟件等等。在設計過程中我遇到了許多難以解決的問題，通過去圖書館看書、上網(wǎng)查資料以及請教同學，努力最終一步一步得以解決。通過這次課程設計，不僅鍛煉了我的動手能力，更培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，鞏固了我以前學過的專業(yè)知識，促進了我的自學能力。通過本次設計，我還了解了微機控制中DDC算法的基本概念及其對系統(tǒng)設計的相關應用。什么樣的課程設計都離不開理論與實際相結合的真理，設計過程中的方案選擇和參數(shù)設定使我進一步深刻認識到算法的控制對整個系統(tǒng)的重要作用。一個細小的參數(shù)設定出現(xiàn)偏差，可能導致最后的性能指標不和標準。所以選擇一個優(yōu)良的方案對于實驗至關重要。

參考文獻吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.805