logo资料库

电阻炉温度控制系统设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.52M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共27页
第2页 / 共27页
第3页 / 共27页
第4页 / 共27页
第5页 / 共27页
第6页 / 共27页
第7页 / 共27页
第8页 / 共27页
资料共27页，剩余部分请下载后查看
    目录
    摘要
    温度控制系统设计
    1 设计任务及分析
    1.1设计任务和要求
    1.2系统的分析
    2 方案比较及论证
    3 控制算法
    3.1 PID控制算法
    3.2 积分分离PID控制算法
    4 系统硬件设计
    4.1 ADC0809芯片
    4.2 DAC0832芯片
    4.3 AT89C51单片机
    4.4 系统滤波原理
    5 系统仿真
    5.1 simulink仿真
    5.2 kp改变对系统的影响
    5.3调试分析
    6 心得与体会
    参考文献
    附录1
    附录2
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 目录 摘要 .........................................................................................................................................................................2 温度控制系统设计 .................................................................................................................................................3 1 设计任务及分析 .................................................................................................................................................3 1.1 设计任务和要求..................................................................................................................................... 3 1.2 系统的分析..............................................................................................................................................3 2 方案比较及论证 .................................................................................................................................................4 3 控制算法.............................................................................................................................................................6 3.1 PID 控制算法 ......................................................................................................................................... 6 3.2 积分分离 PID 控制算法 ........................................................................................................................ 7 4 系统硬件设计 .....................................................................................................................................................8 4.1 ADC0809 芯片 ......................................................................................................................................... 8 4.2 DAC0832 芯片 ......................................................................................................................................... 9 4.3 AT89C51 单片机................................................................................................................................... 11 4.4 系统滤波原理 ...................................................................................................................................... 12 5 系统仿真 ...........................................................................................................................................................13 5.1 simulink 仿真 ..................................................................................................................................... 13 5.2 kp 改变对系统的影响 ......................................................................................................................... 14 5.3 调试分析 ................................................................................................................................................15 6 心得与体会 .......................................................................................................................................................16 参考文献 ...............................................................................................................................................................17 附录 1....................................................................................................................................................................18 附录 2....................................................................................................................................................................26 1
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 摘要 随着科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高， 控制系统也千变万化，温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应 过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工 艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。采用单片机进行 炉温控制，可大大地提高控制质量和自动化水平， 具有良好的经济效益和推广价值。 本文主要介绍了利用 AT89C51为主控制电路实现的炉温调节控制系统，详细阐述了系 统的功能，硬件组成以及软件设计，利用热电偶采集温度信号经 A/D 转换器转化后与给定 信号送入微机系统，系统分析控制算法，信号再经 D/A 转换后控制调节可控硅控制器来改 变炉内的温度。 关键字：温度控制 自动化 单片机 转换器 2
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 温度控制系统设计 1 设计任务及分析 1.1 设计任务和要求 被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的 电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为 0～ 5 伏时对应电炉温度 0－300℃，温度传感器测量值对应也为 0～5 伏，对象的特性为积分 加惯性系统，惯性时间常数为 T1＝40 秒。 要求完成的主要任务： 1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 2）编写积分分离 PID 算法程序，从键盘接受 Kp、Ti、Td、T 及β的值； 3）计算机仿真被控对象，编写仿真程序； 4）通过数据分析 Kp 改变时对系统超调量的影响。 5）撰写设计说明书。 1.2 系统的分析 该系统利用单片机可以方便地实现对 PID 参数的选择与设定，实现工业过程中 PID 控 制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行 A/D 转换，再送入计算机中，与设 定值进行比较，得出偏差。对此偏差按 PID 规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动 电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能 自动完成数据采集、处理、转换、并进行 PID 控制和键盘终端处理（各参数数值的修正） 及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不 但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使 干扰无法及时消除，使调节品质下降。 3
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 2 方案比较及论证 用温度传感器来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大 并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和 模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号送入计算机程序中作比较，得出 给定值与实际值之间的偏差，并与β进行比较，从而确定算法。计算得到的控制量输出给 可控硅控制器，改变可控硅的导通角，达到调压的目的，是电阻丝两端的电压增大或较小， 进而实现对炉温的控制。 方案一：热电偶温度自动控制系统。 方案二：数字温度传感器温度控制系统。 这两个方案都是采用单片机控制，两个方案的比较部分为温度检测部分。 方案一温度检测部分检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电 偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换和D/A转换器接口，若采用8位A/D 转换器，ADC0809则输人端需采用仪用放大器，把几毫伏的电压信号放大到5伏左右。由于 热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编 程和数据处理增加了难度。这种系统具有测量温度范围可以从零下一百度到早上千摄氏 度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。但构成系统复杂，抗干扰能 力不强。 方案二采用数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度 的温度。它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口， 因此由它构成的系统简单使用，由于DS18B20，按照工业设计要求设计，抗干扰性能强。 但温度测量范围从-55℃—-125℃。 根据设计要求，综合考虑选择方案一。 主要的控制芯片采用 AT89C51，要求传感器测量的电压范围和可控硅控制器的电压在 0-5℃，所以 A/D 与 D/A 转换芯片采用 ADC0809 和 DAC0832。炉温控制在 0－300℃内，因 此采用镍铬-铜镍热电偶，同时选用运算放大器将信号放大。 在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经 过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通 过液晶显示器显示温度，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制 4
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 量通过控制继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。 由以上分析控制过程，可以得到如图1的设计框图，程序流程图如图2所示。 传感器 数据采集 电炉 控制电路 A/D 转换 D/A 转换 图1 系统结构框图 计算机 键盘 输入 控制 图 2 系统程序流程图 5
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 3 控制算法 3.1 PID 控制算法 在 PID 调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态 误差， PK 的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分 控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将 能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以 使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整 时间，从而改善系统的动态性能。将 P、I、D 三种调节规律结合在一起，可以使系统既快 速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。 模拟 PID 控制规律为： )( tu  )([ teK P  1 T I  t 0 )( te dt  T D ])( tde dt  ( ) r t ( ) y t 式中： ( ) e t  称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中 ( )r t 为给定 值， ( )y t 为被测变量值； pK 为比例系数； IT 为积分时间常数； DT 为微分时间常数； ( )u t 为 调节器的输出控制电压信号。 因为计算机只能处理数字信号，故上述数字方程式必须加以变换。设采样周期为 T， 第 k 次采样得到的输入偏差为 ( ) e k ，调节器的输出为 ( )u k ，作如下近似：  ( ) de t dt t ( ) e t dt  0 ( ) e k  1) ( e k  T ( ) Te i k   i  1 得到： ( ) u k  [ ( ) K e k p  1 T I k  i 1  ( ) Te i  T D ( ) e k  1) ] ( e k  T 其中， ( )u k 为调节器第 k 次输出值； ( ) e k  分别为第 k 次和第 1k  次采样时刻 的偏差值。由式可知： )(ku 是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应， 所以称之为位置型 PID 算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，而且输 e k 、 ( 1) 出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这 样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值， 而是其增量时，可采用增量型 PID 算法。 6
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 因为要累加偏差 )(ie ，位置式控制不够方便，不仅多占用较多存储单元，且不便于编 程。在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用位置型 PID 控制算法， 可得到增量型 PID 控制算法的递推形式为：  ( ) u k  [ ( ) K e k p  ( e k  1)]  ( ) K e k I  K e k [ ( ) 2 ( e k  D 1)   ( e k  2)] 式中， pK 为比例增益； I K 为了编程方便，整理成如下形式： K T T I  p K 为积分系数； D  K T T p D 为微分系数。  ( ) u k  ( ) q e k 0  ( q e k 1 1)   ( q e k 2  2) ) 式中： q 0  K P T 1(   T I 21( T P  D T T D T ) q 1 q  K TK P2 D T 3.2 积分分离 PID 控制算法 在一般的 PID 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏 差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波 动。特别对于温度等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，为此，可采用积分分离措施， 即偏差 )(ke 较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。亦即 当 当 )(ke )(ke 时，采用 PD 控制； 时，采用 PID 控制。 积分分离阈值应根据具体对象及控制要求。若值过大时，则达不到积分分离的目 的；若值过小，则一旦被控量 )(ty 无法跳出个积分分离区，只进行 PD 控制，将会出现残 差，为了实现积分分离，编写程序时必须从数字 PID 差分方程式中分离出积分项，进行特 殊处理。 7
    武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 4 系统硬件设计 用热电偶来检测炉的温度，将炉温转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转 换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入 A/D 转换器，通过采样和模数 转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号都转换成数质量送入单片机进行比 较，其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差，以单片机为核心的数字 PID 控制器对偏差按 照给定的方法运算，运算结果送 DAC0832 转换成模拟电压，经功率放大器放大后送入晶闸 管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到炉温调 节的作用。 炉温信号 T 通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏 差 e 和温度的变化率 dt de / ，再由智能控制算法进行推理，并得控制量u ，可控硅输出部分 根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理 想的设定值。 4.1 ADC0809 芯片 A/D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的期间或装置，它是一种模拟系统和计 算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用，常用的 A/D 转换器有 ADC0809。它是一种带有 8 通道模拟开关的 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，转换时间为 100us 左右，线性误差为±1/2LSB，采用 28 脚双立直插式封装，ADC0809 由 8 通道模拟开关、通 道选择逻辑、8 位 A/D 转换器及三态输出锁存缓冲器组成。 1）8 通道模拟开关及通道选择逻辑 该部分的功能是实现 8 选 1 操作，通道选择信号 C、B、A 与所选通道的关系如表 1。 C 0 0 ... 1 表 1 选择逻辑功能 B 0 0 ... 1 A 0 1 ... 1 输出 Vin0 Vin1 ... Vin7 地址锁存允许信号（ALE、正脉冲）用于通道选择信号 C、B、A 的锁存。加至 C、B、A 上的通道选择信号在 ALE 的作用下送入通道选择逻辑后，通道 i 上的模拟输入被送至 A/D 转换器转换。 8
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料