溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化專業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2013年6月26日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求完成的主要任務(wù): 被控對(duì)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(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓杩刂破鬏斎霝?5伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0300，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為05伏，對(duì)象的特性為積分加慣性系統(tǒng)，慣性時(shí)間常數(shù)為T140秒。1）設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，畫出框圖；2）編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受K

2、p、Ti、Td、T及的值；3）通過(guò)數(shù)據(jù)分析Ti改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。4）撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。時(shí)間安排：6月26日查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體方案設(shè)計(jì)6月27日6月28日完成硬件設(shè)計(jì)6月29日6月30日編寫調(diào)試程序7月1日7月4日撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7月5日提交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書、圖紙、電子文檔指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目 錄摘 要11 設(shè)計(jì)任務(wù)及分析21.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求21.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析22 方案設(shè)計(jì)32.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.2 軟件流程圖43 控制算法53.1 PID控制算法53.2 積分分離的PID控制控制算法64 系統(tǒng)仿真74.1 仿真程序

3、及圖形74.2 仿真結(jié)果84.3 結(jié)果分析105 心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)12附錄 仿真程序及仿真圖13本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 摘 要比例-積分-微分控制（簡(jiǎn)稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。利用計(jì)算機(jī)可以很好地使用PID算法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，具有較高的精度，并且可以很方便的改變PID參數(shù)，以達(dá)到不同的控制效果。本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為電熱爐，控制量為電爐溫度，利用單片機(jī)對(duì)大功率可控硅導(dǎo)通角的控制，可以很方便地改變電熱絲兩端的電壓，從而起到調(diào)節(jié)溫度的作用。而熱電偶配合單片機(jī)編程，能夠較精

4、確地得到爐溫，使單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)發(fā)出控制信號(hào)，快速將爐溫調(diào)節(jié)為給定值。當(dāng)外界出現(xiàn)干擾使?fàn)t溫發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)能夠通過(guò)PID算法快速使?fàn)t溫回到給定值。為了使PID控制更加穩(wěn)定可靠，本設(shè)計(jì)加入了積分分離的改進(jìn)措施，當(dāng)偏差較大時(shí)取消積分作用，利用PD控制快速使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；當(dāng)偏差小于某一個(gè)值時(shí)，加入積分作用，以消除靜差。利用Matlab軟件，可以通過(guò)仿真得到Ti改變對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。關(guān)鍵詞：PID控制 Matlab 系統(tǒng)超調(diào)量1 設(shè)計(jì)任務(wù)及分析1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求被控對(duì)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(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓?/p>

5、控制器輸入為05伏時(shí)對(duì)應(yīng)電爐溫度0300，溫度傳感器測(cè)量值對(duì)應(yīng)也為05伏，對(duì)象的特性為積分加慣性系統(tǒng)，慣性時(shí)間常數(shù)為T140秒，滯后時(shí)間常數(shù)為10秒。要求完成的任務(wù)：1）設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，畫出框圖；2）編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及的值；3）通過(guò)數(shù)據(jù)分析Ti改變時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。4）撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。1.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析本系統(tǒng)的以電爐為控制對(duì)象，以電爐溫度為控制量，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電爐溫度，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將檢測(cè)得到的溫度與爐溫給定值進(jìn)行比較，并計(jì)算偏差，按照預(yù)置的控制算法，對(duì)可控硅控制器的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)

6、，從而可以控制熱阻絲兩端的電壓，起到溫度調(diào)節(jié)的作用。利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理以及PID算法控制，并通過(guò)鍵盤對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行修正，還具有系統(tǒng)小巧、穩(wěn)定可靠以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)。由于本次控制對(duì)象為電爐，其時(shí)間常數(shù)較大，因此采用周期不宜過(guò)小，避免系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)于頻繁，降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率并使控制品質(zhì)變壞，但也不能太大，否則會(huì)使誤差不能及時(shí)消除。2 方案設(shè)計(jì)2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度傳感器信號(hào)調(diào)理及I/V變換A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)電爐可控硅控制電路D/A轉(zhuǎn)換鍵盤輸入控制圖2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件框圖本系統(tǒng)硬件部分主要由溫度傳感器、D/A轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路和I/V變換、單片機(jī)系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換

7、電路、可控硅及其控制電路以及電爐組成。溫度控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2-1所示。溫度傳感器主要有熱電偶、金屬熱敏電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻等幾種。其中，熱電偶測(cè)溫范圍廣，可在1K2800范圍內(nèi)使用，并且具有精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是線性度很不好，需要預(yù)置溫度-電壓分度表。金屬熱敏電阻主要有鉑熱電阻和銅熱電阻，前者可在-200800范圍內(nèi)使用，后者一般只在-50150范圍內(nèi)使用，而鉑熱電阻價(jià)格較貴，因此并不太適合本次設(shè)計(jì)使用。半導(dǎo)體熱敏電阻一般來(lái)說(shuō)測(cè)溫范圍較小，此處不予考慮。綜合比較，選用金屬熱電偶相對(duì)來(lái)說(shuō)更加適宜。由于本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為控制核心，因此，將金屬熱電偶的溫度-電壓分度

8、表寫入單片機(jī)的ROM中可以很方便的通過(guò)查表程序得到實(shí)時(shí)溫度。A/D轉(zhuǎn)換器采用8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在100us左右，線性誤差為（±1/2）LSB，工作溫度范圍為-4585，功耗為15mW。D/A轉(zhuǎn)換器采用8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其電流建立時(shí)間為1us，單一電源供電+5+15V，功耗為20mW。單片機(jī)采用AT89S52，具有8K片內(nèi)ROM和256B的片內(nèi)RAM，32位I/O口，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有RAM數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能。開(kāi)始系統(tǒng)初始化并輸入給定溫度值爐溫測(cè)量爐溫下限溫度爐溫下限溫度PID算法控制爐溫爐溫等于目標(biāo)溫度且穩(wěn)定結(jié)束NY停止加

9、熱全速加熱NYYN圖2-2 溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖2.2 軟件流程圖溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2-2所示，系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)會(huì)檢測(cè)爐溫，一般情況下此時(shí)爐溫比給定值低，于是電爐開(kāi)始全速加熱。于此同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測(cè)爐溫在上限溫度和下限溫度之間，那么開(kāi)始進(jìn)行PID控制，并繼續(xù)按照預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，直至溫度穩(wěn)定為給定值。3 控制算法3.1 PID控制算法模擬PID控制器的控制規(guī)律為 （2-1）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(huì)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

10、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，積分作用太強(qiáng)就會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(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)節(jié)時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法，必須將式（2-1）變換成差分方程，以得到數(shù)字PID位置型控制算式 （2-2）根據(jù)式（2-2）可寫出u(k-1)的表達(dá)式 （2-3）將式（2-2）與式（2-3）相減，可以得到數(shù)字PID增量型控制算式為 （2-4）相對(duì)于位置型算法，增量型算法不需要做累加，計(jì)算誤差或計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過(guò)去的累加值，

11、容易產(chǎn)生較大的累加誤差。位置型算法不僅要占用較多的內(nèi)存單元，而且不便于編寫程序，并且逐漸增大的累加誤差可能引起系統(tǒng)沖擊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合考慮，應(yīng)該使用增量型數(shù)字PID控制算法來(lái)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及控制精度。3.2 積分分離的PID控制控制算法在一般的PID控制中，當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于有較大的誤差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，特別對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。本設(shè)計(jì)的控制量為爐膛溫度，具有較大的慣性和滯后性，因此，可以采用積分分離措施，當(dāng)偏差e(k)較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差e(k)較小時(shí)，再將

12、積分作用投入。即當(dāng)|e(k)|>時(shí)，采用PD控制；當(dāng)|e(k)|時(shí)，采用PID控制。積分分離閾值b應(yīng)根據(jù)具體對(duì)象及控制要求確定。若b值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若b值過(guò)小，則一旦被控量y( t )無(wú)法跳出各積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差，為了實(shí)現(xiàn)積分分離，編寫程序時(shí)必須從數(shù)字PID差分方程式中分離出積分項(xiàng)，進(jìn)行特殊處理。開(kāi)始溫度數(shù)據(jù)采集e(k)> bPD控制PID控制控制器輸出結(jié)束YN圖3-1 積分分離PID控制算法流程圖積分分離PID控制算法流程圖如圖3-1所示。4 系統(tǒng)仿真4.1 仿真程序及圖形根據(jù)所給條件，控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為通過(guò)Matlab仿真，取Kp=0.1

13、，Ti=50，Td=20，T=5s，b=0.1，在Matlab Command窗口中輸入如下程序語(yǔ)句：clear all; close all; ts=5; %采樣時(shí)間5s sys=tf(1,40,1,0); dsys=c2d(sys,ts,'zoh'); %將sys離散化 num,den=tfdata(dsys,'v'); %求sys多項(xiàng)式模型參數(shù) kp=0.1; ti=50;td=10;beta=0.1;ki=kp*ts/tikd=kp*td/ts按下回車鍵，使Matlab程序接受這些數(shù)據(jù)。隨后在Simulink中畫出系統(tǒng)仿真圖，如圖4-1所示。該圖中對(duì)積分

14、項(xiàng)進(jìn)行了積分分離處理，當(dāng)偏差當(dāng)|e(k)|>時(shí)，Switch開(kāi)關(guān)打到上方，移除了積分調(diào)節(jié)作用，采用PD控制；當(dāng)|e(k)|時(shí)，Switch開(kāi)關(guān)打到下方，加入積分調(diào)節(jié)作用，采用PID控制。這樣可以減小超調(diào)，減小波動(dòng)，并消除穩(wěn)態(tài)誤差。改變程序中Ti的值，即可以得到不同的結(jié)果，從而可以得出Ti改變對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量的影響。圖4-1 Simulink系統(tǒng)仿真圖圖4-1 Simulink系統(tǒng)仿真圖4.2 仿真結(jié)果圖4-2 Ti=50時(shí)的系統(tǒng)仿真圖(1)當(dāng)Ti=50時(shí)，仿真圖如圖4-2所示?？梢钥闯觯藭r(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，因此，系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)Ti=100時(shí)，仿真圖如圖4-3所示，可以計(jì)算出系統(tǒng)的超調(diào)量為圖

15、4-3 Ti=100時(shí)的系統(tǒng)仿真圖(3) Ti=200時(shí)，仿真圖如圖4-4所示，可以計(jì)算出系統(tǒng)的超調(diào)量為圖4-4 Ti=200時(shí)的系統(tǒng)仿真圖（4）Ti=200時(shí)，仿真圖如圖4-4所示，可以計(jì)算出系統(tǒng)的超調(diào)量為圖4-5 Ti=500時(shí)的系統(tǒng)仿真圖4.3 結(jié)果分析通過(guò)仿真可以看出，當(dāng)K、Td、T、b取了合適的值后，改變Ti既會(huì)改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能發(fā)生較大的改變。Ti越大，積分作用越弱，而相應(yīng)的系統(tǒng)超調(diào)量越小，說(shuō)明積分作用會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量增大；Ti越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的超調(diào)越大。仿真結(jié)果中，當(dāng)Ti=50時(shí)，系統(tǒng)甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。因此，積分時(shí)間常數(shù)Ti必須取恰當(dāng)值，積分作用過(guò)強(qiáng)

16、，會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，甚至不穩(wěn)定；積分作用太弱，消除靜差的速度太慢，會(huì)使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。5 心得體會(huì)本學(xué)期學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課程后，本人對(duì)計(jì)算機(jī)控制的基本原理有了一定的掌握，但是，卻沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)踐，一些具體的控制算法該怎么實(shí)現(xiàn)，如何設(shè)置參數(shù)才能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加可靠，本人感覺(jué)有些迷茫。因此，本次課程設(shè)計(jì)正好給了我一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)。本次課程設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，畫出其硬件框圖，并通過(guò)PID算法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行控制。雖然課程中講了許多關(guān)于PID算法的知識(shí)，但并沒(méi)有給出例子，而本人在生活中也沒(méi)有經(jīng)過(guò)這方面的實(shí)踐，因此，剛拿到課設(shè)題目時(shí)有一些不知所措。經(jīng)過(guò)幾天查閱資料，學(xué)習(xí)別人留下的經(jīng)驗(yàn)，我

17、開(kāi)始思考本設(shè)計(jì)該如何下手。由于本設(shè)計(jì)要求畫出硬件框圖，并沒(méi)有要求給出具體的硬件連接圖，因此降低了設(shè)計(jì)難度。在有了大體的設(shè)計(jì)框架后，我開(kāi)始著手本設(shè)計(jì)，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。在使用Matlab進(jìn)行仿真時(shí)，由于有一段時(shí)間沒(méi)有用到Matlab，使用時(shí)略顯生疏。通過(guò)查閱與Matlab相關(guān)的書籍，這方面的困難也得到了解決，最終得到了正確的仿真結(jié)果。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我深刻體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。由于我和好幾位同學(xué)的題目比較相似，在遇到困難的地方時(shí)，我們相互幫助，共同解決問(wèn)題，使得解決問(wèn)題的效率大大提高。這也令我明白了一個(gè)道理，在我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)生活中乃至畢業(yè)后參加工作了，都要有一份團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在當(dāng)今的社會(huì)中，只

18、有團(tuán)隊(duì)的力量才是最偉大的！參考文獻(xiàn)1. 于海生. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社，20102. 彭虎，周佩玲. 微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社，20083. 沈美明，溫冬嬋. IBM-PC匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社 4. 劉教瑜. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 武漢理工大學(xué)出版社，20115. 姚燕南，薛鈞義. 微型計(jì)算機(jī)原理. 西安電子科技大學(xué)出版社6. 沙占友等. 新編實(shí)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù). 國(guó)防工業(yè)出版社7. 宋春榮等. 通用集成電路手冊(cè). 山東科技出版社附錄 仿真程序及仿真圖clear all; close all; ts=5; %采樣時(shí)間5s sys=tf(1,40,1,0); dsys=c2d(sys,ts,'zoh'); %將sys離散化 num,den=tfdata(dsys,'v'); %求sys