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

1、學(xué)號：0121311370627課程設(shè)計題目溫度控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院自動化學(xué)院專業(yè)自動化專業(yè)班級1303 班姓名李 杰指導(dǎo)教師周申培2016年6月1日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：李杰專業(yè)班級：自動化 1303 班指導(dǎo)教師：周申培工作單位 ：自動化學(xué)院題目:溫度控制系統(tǒng)設(shè)計要求完成的主要任務(wù) : 被控對象為電爐，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?？煽毓杩刂破鬏斎霝? 5伏時對應(yīng)電爐溫度 0 300，溫度傳感器測量值對應(yīng)也為0 5伏，對象的特性為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階系統(tǒng)，慣性時間常數(shù)為 T130秒，滯后時間常數(shù)為 10秒。1

2、）設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的計算機(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 p、 Ti 、Td、T 及 的值；3）通過數(shù)據(jù)分析Ti 改變時對系統(tǒng)超調(diào)量的影響。4）撰寫設(shè)計說明書。時間安排：5 月 24 日查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體方案設(shè)計5 月 25 日6 月 1 日完成硬件設(shè)計并調(diào)試6 月 2 日提交課程設(shè)計指導(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)計任務(wù)及分析 .21.1設(shè)計任務(wù)要求 .21.2設(shè)計系統(tǒng)分析 .22方案設(shè)計 .32.1硬件系統(tǒng)設(shè)計 .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

3、 PID 控制控制算法 .64系統(tǒng)仿真 .74.1仿真程序及圖形 .74.2仿真結(jié)果 .84.3結(jié)果分析 .105心得體會 .11參考文獻(xiàn).12本科生課程設(shè)計成績評定表摘 要比例 -積分 -微分控制（簡稱 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)律對許多工業(yè)過程進(jìn)行控制時，都能得到滿意的效果。利用計算機(jī)可以很好地使用PID 算法對控制對象進(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)計的控制對象為電熱爐，控制量為電爐溫度，利用單片機(jī)對大功率可控硅導(dǎo)通角的控制，可以很方便地改變電熱絲兩端的電壓，從

4、而起到調(diào)節(jié)溫度的作用。而熱電偶配合單片機(jī)編程，能夠較精確地得到爐溫，使單片機(jī)能夠?qū)崟r發(fā)出控制信號，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，單片機(jī)能夠通過 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)計加入了積分分離的改進(jìn)措施，當(dāng)偏差較大時取消積分作用，利用 PD 控制快速使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；當(dāng)偏差小于某一個值時，加入積分作用，以消除靜差。利用 Matlab 軟件，可以通過仿真得到 Ti 改變對系統(tǒng)超調(diào)量的影響。關(guān)鍵詞： PID 控制Matlab系統(tǒng)超調(diào)量11 設(shè)計任務(wù)及分析1.1 設(shè)計任務(wù)要求被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻

5、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?？煽毓杩刂破鬏斎霝? 5伏時對應(yīng)電爐溫度 0 300，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)的一階系統(tǒng)，慣性時間常數(shù)為 T130秒，滯后時間常數(shù)為 10秒。要求完成的任務(wù)：1）設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的計算機(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 p、 Ti 、Td、T 及 的值；3）通過數(shù)據(jù)分析Ti 改變時對系統(tǒng)超調(diào)量的影響。4）撰寫設(shè)計說明書。1.2 設(shè)計系統(tǒng)分析本系統(tǒng)的以電爐為控制對象，以電爐溫度為控制量，利用溫度傳感器實(shí)時檢測電爐溫度，并將測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送入計算

6、機(jī)， 計算機(jī)系統(tǒng)將檢測得到的溫度與爐溫給定值進(jìn)行比較，并計算偏差，按照預(yù)置的控制算法，對可控硅控制器的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)，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，并通過鍵盤對一些重要參數(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)。由于本次控制對象為電爐，其時間常數(shù)較大，因此采用周期不宜過小，避免系統(tǒng)響應(yīng)過于頻繁，降低計算機(jī)系統(tǒng)的效率并使控制品質(zhì)變壞，但也不能太大，否則會使誤差不能及時消除。22 方案設(shè)計2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)硬件部分主要由溫度傳感器、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路和 I/V 變換、單片機(jī)系統(tǒng)

7、、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、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。信號調(diào)理及A/D溫度傳感器轉(zhuǎn)換I/V 變換單鍵盤片輸入控制機(jī)可控硅D/A電爐轉(zhuǎn)換控制電路圖 2-1 溫度控制系統(tǒng)硬件框圖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)簡單、動態(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，而鉑熱電阻價格較貴，因此并不太適合本次設(shè)計使用。半導(dǎo)體熱

8、敏電阻一般來說測溫范圍較小，此處不予考慮。綜合比較，選用金屬熱電偶相對來說更加適宜。由于本設(shè)計采用單片機(jī)為控制核心，因此，將金屬熱電偶的溫度 -電壓分度表寫入單片機(jī)的 ROM 中可以很方便的通過查表程序得到實(shí)時溫度。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

9、的片內(nèi) RAM ，32 位 I/O 口， 3 個16 位定時器 /計數(shù)器，具有RAM 數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能。32.2 軟件流程圖開始系統(tǒng)初始化并輸入給定溫度值全速加熱爐溫測量Y爐溫下限溫度N爐溫下限溫度NPID 算法控制爐溫N爐溫等于目標(biāo)溫度且穩(wěn)定Y結(jié)束圖 2-2 溫度控制系統(tǒng)軟件流程圖停止加熱Y溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2-2 所示，系統(tǒng)開始工作時會檢測爐溫，一般情況下此時爐溫比給定值低，于是電爐開始全速加熱。于此同時，系統(tǒng)會按照預(yù)定的采樣周期進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測爐溫在上限溫度和下限溫度之間，那么開始進(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。43 控制算法3.1 P

10、ID 控制算法模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為1te(t )dt TDde(t)（2-1）u(t ) Kpe(t )TI0dt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， K P 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)就會使系統(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，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了便于計算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法，必須將

11、式（ 2-1）變換成差分方程，以得到數(shù)字PID 位置型控制算式u(k) Kp e(k )Tke(i ) TDe(k)e( k1) （2-2）TI i0T根據(jù)式（ 2-2）可寫出 u(k-1) 的表達(dá)式u(k1) Kp e(k1)Tk 1e( k1)e(k2)（2-3）TIe(i )TDTi 0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u( k)Kpe( k) e( k1)K I e(k )K D e( k)2e(k 1)e( k 2)（2-4）相對于位置型算法，增量型算法不需要做累加，計算誤差或計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去的累加值，容易

12、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 控制算法來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及控制精度。53.2 積分分離的PID 控制控制算法在一般的 PID 控制中，當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給定值時，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，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動，特別對于溫度、 成分等變化緩慢的過程， 這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。 本設(shè)計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，取消積分作用；當(dāng)偏差 e(

13、k)較小時，再將積分作用投入。即當(dāng)|e(k)| 時，采用 PD 控制；當(dāng)|e(k)| 時，采用 PID 控制。積分分離閾值 應(yīng)根據(jù)具體對象及控制要求確定。若 值過大，則達(dá)不到積分分離的目的；若 值過小，則一旦被控量 y( t )無法跳出各積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD 控制，將會出現(xiàn)殘差，為了實(shí)現(xiàn)積分分離，編寫程序時必須從數(shù)字 PID 差分方程式中分離出積分項(xiàng)，進(jìn)行特殊處理。積分分離 PID 控制算法流程圖如圖3-1 所示。開始溫度數(shù)據(jù)采集Ne(k)YPD 控制PID 控制控制器輸出結(jié)束圖 3-1 積分分離PID 控制算法流程圖64 系統(tǒng)仿真4.1 仿真程序及圖形根據(jù)所給條件，控制對象的傳遞函數(shù)為G

14、(s)e-10s130s通過 Matlab 仿真，取 K p=0.1， Ti =50，Td=20， T=5s， =0.1，在 Matlab Command 窗口中輸入如下程序語句：clear all;close all;ts=5;%采樣時間 5ssys=tf(1,30,1);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

15、，如圖4-1 所示。該圖中對積分項(xiàng)進(jìn)行了積分分離處理，當(dāng)偏差當(dāng) |e(k)|時， Switch 開關(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， Switch 開關(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，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 改變對系統(tǒng)超調(diào)量的影響。7圖 4-1仿真模型4.2 仿真結(jié)果(1)當(dāng) Ti=50 時，仿真圖如圖4-2 所示。可以看出，此時系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，因此，系統(tǒng)不穩(wěn)定。8圖 4-2 Ti =50 時的系統(tǒng)仿真圖(2)Ti=100 時，仿真圖如圖4-3 所示，可以計算出系統(tǒng)的

16、超調(diào)量為1.31%100%30%1圖 4-3 Ti =100 時的系統(tǒng)仿真圖(3) Ti =200 時，仿真圖如圖 4-4 所示，可以計算出系統(tǒng)的超調(diào)量為%1.2 1 100% 20%1圖 4-4 Ti=200 時的系統(tǒng)仿真圖9（4）Ti=200 時，仿真圖如圖4-4 所示，可以計算出系統(tǒng)的超調(diào)量為%1.151 100% 15%1圖 4-5 Ti=500 時的系統(tǒng)仿真圖4.3 結(jié)果分析通過仿真可以看出， 當(dāng) K 、Td、T、 取了合適的值后， 改變 Ti 既會改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又會使系統(tǒng)的動態(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，說明積分作用會使系統(tǒng)超調(diào)量增大；

17、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，系統(tǒng)甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。因此，積分時間常數(shù) Ti 必須取恰當(dāng)值，積分作用過強(qiáng)，會使系統(tǒng)超調(diào)過大，甚至不穩(wěn)定；積分作用太弱，消除靜差的速度太慢，會使系統(tǒng)長時間的振蕩。105 心得體會本學(xué)期學(xué)習(xí)了計算機(jī)控制技術(shù)這門課程后，本人對計算機(jī)控制的基本原理有了一定的掌握，但是，卻沒有經(jīng)過實(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，本人感覺有些迷茫。因此，本次課程設(shè)計正好給了我一個實(shí)踐的機(jī)會。本次課程設(shè)計，要求設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，畫出其硬件框圖，并通過PID 算法對其穩(wěn)定性進(jìn)行控制。雖然課程中講了許

18、多關(guān)于PID 算法的知識，但并沒有給出例子，而本人在生活中也沒有經(jīng)過這方面的實(shí)踐，因此，剛拿到課設(shè)題目時有一些不知所措。經(jīng)過幾天查閱資料，學(xué)習(xí)別人留下的經(jīng)驗(yàn)，我開始思考本設(shè)計該如何下手。由于本設(shè)計要求畫出硬件框圖，并沒有要求給出具體的硬件連接圖，因此降低了設(shè)計難度。在有了大體的設(shè)計框架后，我開始著手本設(shè)計，并取得了不錯的進(jìn)展。在使用 Matlab 進(jìn)行仿真時，由于有一段時間沒有用到 Matlab，使用時略顯生疏。 通過查閱與 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。通過本次課程設(shè)計，我深刻體會到團(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，我們相互幫助，共同解決問題，使得解決問題的效率大大提高。這也令我明白了一個道理，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。在當(dāng)今的社會中，只有團(tuán)隊(duì)的力量才是最偉大的！11參考文獻(xiàn)1. 于海生 . 計算機(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 匯編語言程序設(shè)計 . 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 . 微型計算機(jī)原理 . 西安電子科技大學(xué)出版社6. 沙占