1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計報告書課程名稱：綜合課程設(shè)計系（院）：電子工程學(xué)院學(xué) 期： 20112012第一學(xué)期專業(yè)班級：電氣082班姓名： 胡韜學(xué)號：030861217對溫控系統(tǒng)進行建模及 MATLA的真1單片機在爐溫控制系統(tǒng)中的運用溫度是工業(yè)對象中一個主要的被控參數(shù)， 它是一種常見的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煨燒、蒸儲、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學(xué)過程。溫度 果。如今，隨著以微機為核心的溫度控制技術(shù)不斷發(fā)展,用微機取代常規(guī)控制已成必然,因為它確 保了生產(chǎn)過程的正常進行，提高了產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量，減輕了工人的勞動強度以及節(jié)約了能源， 并 且能夠使加熱對象的溫度按

2、照某種指定規(guī)律變化。控制不好就可 生產(chǎn)安全，產(chǎn)品 產(chǎn)量等一系列 溫度控制是許 的重要的構(gòu)成 它的功能是將 制在所需要的 圍內(nèi)，以利于進 的加工與處理。一直以們采用了各種 進行溫度控制， 取得很好的控評語:成績:簽名:日期:能引起 質(zhì)量和 問題。 多設(shè)備 部分， 溫度控 溫度范 行工件來，人 方法來 都沒有 制效實踐證明，用于工業(yè)生產(chǎn)中的爐溫控制的微機控制系統(tǒng)具有高精度、功能強、經(jīng)濟性好的特點，無論在提高產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)品數(shù)量，節(jié)約能源，還是改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。單片機具有集成度高，運算快速快，體積小、運行可靠，價值低廉，因此在過程控制、數(shù)據(jù)采集、機電一體化、智能化儀表、家用電器

3、以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用， 本文主要介紹單片機 在爐溫控制中的應(yīng)用。本設(shè)計以89C51單片機為核心控制器件，以ADC0809乍為A/D轉(zhuǎn)換器件，采用閉環(huán)直接數(shù)字控 制算法，通過控制可控硅來控制熱電阻，進而控制電爐溫度，最終設(shè)計了一個滿足要求的電阻爐微 型計算機溫度控制系統(tǒng)。1、1系統(tǒng)的基本工作原理整個爐溫控制系統(tǒng)由兩大部分組成。 一部分由計算機和A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路組成。主要完成溫 度采集，PID運算，產(chǎn)生可控硅的觸發(fā)脈沖。另外一部分由傳感器信號放大，同步脈沖形成，以及 觸發(fā)脈沖放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓可在0140V

4、內(nèi)變化。可控硅的導(dǎo)通角為 05bA溫度傳感器是通過一只熱敏電阻及其放大電路 組成，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷的占空比時間，如果爐溫低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo) 通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。溫度控制電路原理圖如圖2.1所示。圖2.1溫度控制電路原理圖2溫控系統(tǒng)控制算法設(shè)計2.1 溫度控制算法的比較(1) .經(jīng)典控制算法經(jīng)典控制方法是指針對時滯系統(tǒng)控制問題提出并應(yīng)用得最早的控制策略，主要包括PID控制、Smith預(yù)估控制、大林算法這幾種方法。PID控制器由于具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高等特點，因而在實際控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。PI

5、D控制的難點在于如何對控制參數(shù)進行整定，以求得到最佳控制效果。然而 PID 在時滯過程中的應(yīng)用受到一定的限制，由于PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下，才能獲 得理想效果。當(dāng)一個調(diào)好參數(shù)PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)時，系統(tǒng)的性能會變差，甚至不 穩(wěn)定。Smith預(yù)估器是得到廣泛應(yīng)用的時滯系統(tǒng)控制方法，該方法是一個時滯預(yù)估補償算法。它通過 估計對象的動態(tài)特性，用一個預(yù)估模型進行補償，從而得到一個沒有時滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器， 使得整個系統(tǒng)的控制就如沒有時滯環(huán)節(jié)，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且加速調(diào)節(jié)過程，提高系 統(tǒng)的快速性。理論上Sm此預(yù)估器可以完全消除時滯的影響，但是在實際應(yīng)

6、用中卻不盡人意，主要原 因在于:Smith預(yù)估器需要確知被控對象的精確數(shù)學(xué)模型 ，當(dāng)估計模型和實際對象有誤差時，控制品 質(zhì)就會嚴(yán)重惡化，因而影響了 Smith預(yù)估器在實際應(yīng)用中的控制性能。大林算法是由美國 舊M公司的Dahlin于1968年針對工業(yè)過程控制中的純滯后特性而提出的一 種控制算法。該算法的目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間。 大林算法方法比較簡單，只要能設(shè)計出合適的且可以物理實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

7、但它的缺點是設(shè)計中存在振鈴現(xiàn)象， 且與Smith算法一樣，需要一個準(zhǔn)確的過程數(shù)字模型，當(dāng)模型誤差較大時，控制質(zhì)量將大大惡化， 甚至系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。(2) .智能控制算法智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，它包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等。模糊控制是智能控制較早的形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點， 從廣義上講，模糊邏 輯控制指的是應(yīng)用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的一種控制方式，模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型， 是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。 模糊控制是一種基于專家規(guī)則的控制方法。 在時滯過程 中，模糊控制一般是針對誤差和誤差變化率而進行的，

8、將輸入量的精確值模糊化，根據(jù)輸入變量和模 糊規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則計算控制量，再將它清晰化，得到精確輸出控制過程，其中模糊規(guī)則 是最重要的。但是，模糊控制存在控制精度不高、算法復(fù)雜等缺點。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)機理以及人的知識和經(jīng)驗對系統(tǒng)的控制。人們普遍認(rèn)為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的智能性、魯棒性均較好，能處理高維、非線性、強耦合和不確定性的復(fù) 雜工業(yè)生產(chǎn)工程的控制問題，具顯著特點是具有學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢在于能夠充分逼近 任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，且有很強的魯棒性和容錯性。一般來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制有兩種方法， 一種是用來實現(xiàn)建模，一種是直接作為控制器使用。與模糊控制一樣，

9、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在算法復(fù)雜的 缺點，同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練比較費時，對訓(xùn)練集的要求也很高。經(jīng)典控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性及實用性強等特點，在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛的 應(yīng)用。但它們都是基于參數(shù)模型的控制方法，因而自適應(yīng)性和魯棒性差、對模型精確性要求高、抗干擾能力差。而智能控制是非參數(shù)模型的控制方法，因而在魯棒性、抗干擾能力方面有很大的優(yōu)勢。 但智能控制也有其不足之處，即理論性太強，算法過于復(fù)雜，大多數(shù)方法還僅局限于理論和仿真研 究，能在試驗裝置上和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的并不多。根據(jù)這兩類控制方法的特點，將它們結(jié)合起來進行復(fù)合控制是一種有效的時滯系統(tǒng)控制策略， 成功的應(yīng)用有模糊PID控制、模糊Smi

10、th控制、神經(jīng) 元Smith預(yù)估控制、Smith-NN預(yù)估控制等。這些方法既能利用經(jīng)典控制方法結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和 實用性強的特點，又能發(fā)揮智能控制自適應(yīng)性和魯棒性好，抗干擾能力強的優(yōu)勢，彌補了各自的不足，在大時滯控制系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。1.控制算法的選擇PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)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(xué)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)

11、節(jié)器，應(yīng)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(jié)構(gòu)框圖如圖2,2所示：圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)利用單片機可以方便地實現(xiàn)對 PID參數(shù)的選擇與設(shè)定，實現(xiàn)工業(yè)過程中PID控制。它采 用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行 A/D轉(zhuǎn)換，再送入計算機中，與設(shè)定值進行比較，得 出偏差。對此偏差按PID規(guī)律進行調(diào)整，得出對應(yīng)的控制量來控制驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率， 從而實現(xiàn)對爐溫的控制。利用單片機實現(xiàn)溫度智能控制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進 行PID控制和鍵盤終端處理(各參數(shù)數(shù)值的修正)及顯示。在設(shè)計中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短， 否則會使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣

12、，不但執(zhí)行機構(gòu)不能反應(yīng)，而且計算機的利用率也大為降低； 采 樣周期不能太長，否則會使干擾無法及時消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。2.2數(shù)字PID算法(1)模擬數(shù)字算法規(guī)律:1 tu(t) =Kpe(t)0e(t)dtTd11de(t)出(3-1)對式(3-1)取拉普拉斯變換，并整理后得到模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：DsS1=Kp 1+丁十 TdSTiS(3-2)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；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制 電壓信號。由式(3-1)、式(3-2)可

13、以看出，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(yīng)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(jié)合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確, 只要三者強度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。(2)數(shù)字PID算法因為計算機控制是一種采樣控制

14、,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此在計算機控制系統(tǒng)中，必須對式(3-1)進行離散化處理。設(shè)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：也 定e(k)e(k1)(用差分代替微分)dtTtkfoe(t)dt比£ Te(i)(用求和代替積分)i 1這樣，式(3-1)便可改寫為位置式PID控制算法： ku(k )=Kpe(k )+KI £ e(i )+KD fe(k) -e(k -1 p(2-3)i z0其中，u(k)為調(diào)節(jié)器第k次輸出值；e(k)、e(k1)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

15、出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置一一對應(yīng)，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(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，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(dāng)執(zhí)行機構(gòu)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(dāng)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。在實際控制中，增量型算法要比位置算法應(yīng)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：Au(k) =Kpe(k) -e

16、(k 1) + K©(k)十 KDe(k) -2e(k -1)+e(k -2)(2-4)與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：(1)位置型算式每次輸出與整個過程狀態(tài)享有關(guān)，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(yīng)設(shè)置為原始閥門開度，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)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

17、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。2.2.1最佳控制PID系統(tǒng)參數(shù)測定1 .系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示，圖中圖2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、PID參數(shù)整定方法(1) Ziegler-Nichols整定方法Ziegler-Nichols 整定方法是根據(jù)給定對象的瞬間響應(yīng)特性來確定PID控制器的參數(shù)。Ziegler-Nichols 法首先通過實驗，獲得控制對象單位階躍響應(yīng)，如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來是 一條S形的曲線，則可以用該方法，否則不能用。(2)臨界比例度法整定臨界比例度法適用于已知對象傳遞函數(shù)的場合。在閉合的控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作 用

18、下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到等幅振蕩周期 Tk0采用臨界比例度法時，系統(tǒng)產(chǎn) 生臨界振蕩的條件是系統(tǒng)的階數(shù)是 3階或3階以上。(3)衰減曲線法整定衰減曲線法根據(jù)衰減頻率特性整定控制器參數(shù)。先把控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器置于純比例作用下(T =叼E=0),使系統(tǒng)投入運行，再把比例度從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到 4:1衰減 過程曲線。3.試湊法確定PID參數(shù)：在試湊時，對參數(shù)實行先比例，后積分，再微分的整定步驟。參數(shù)的影響趨勢：增大比例系數(shù) Kp 一般將加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，在有靜差的情況下有利于減 p小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)， 產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間有利

19、于減小靜差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但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。 增大微 分時間可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時有利于加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度， 減少 調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，但是系統(tǒng)對抗擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。具體步驟如下：(1)首先只整定比例部分，即將比例系數(shù)由小變大，并觀察響應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng) 快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。(3)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但是動態(tài)過程反復(fù)調(diào)整仍不能滿足要求，則可加入 微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。2.2.2設(shè)計軟件

20、部分(1)根據(jù)確定的算法流程圖，分別編寫主程序和各模塊程序。編程時盡量利用已有的子程序， 以減少工作量。對于程序的編寫，需要說明以下幾點： 編程語言一般都采用匯編語言，匯編語言具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少的特點，適合用 于實時控制系統(tǒng)。 在程序設(shè)計過程中，完成預(yù)定的功能是最基本、最重要的任務(wù)，但同時還必須貫徹可靠性設(shè) 計的原則，例如采取必要的抗干擾措施一一數(shù)字濾波、軟件陷阱等。 控制算法是微機控制系統(tǒng)程序設(shè)計中的重要內(nèi)容，要根據(jù)被控制對象的特性，合理選擇控制算法，以達(dá)到所要求的控制精度 對于存儲器空間的使用應(yīng)統(tǒng)一安排。 對于各個程序模塊，要首先畫出程序算法流程圖，說明其功能，以便于編寫子程序時明

21、確各 程序模塊的入口、出口參數(shù)和對 CPlft部寄存器的占用情況。 對于程序中的指令應(yīng)有必要的注釋，以便于閱讀與使用。 主程序和各模塊程序的設(shè)計完成后，連接成為一個完整的程序。最后對于整個程序作詳 細(xì)的說明，內(nèi)容包括占用內(nèi)部資源情況、存儲器分配情況、標(biāo)志的定義以及程序啟動方法等。（2）主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖和程序編制圖2.4主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖主程序如下：TEMPI EQU 50HTEMP2 EQU TEMQ1+1ST1 EQU 52HST2 EQU 53HT100 EQU 54HT10 EQU T100+1T EQU T100+2BT1 EQU 57HBT2 EQU BT1

22、+1ADIN0 EQU 7FF8HF0 BIT PSW.5;當(dāng)前檢測溫度（高位）;當(dāng)前檢測溫度（低位）;預(yù)置溫度（高位）;預(yù)置溫度（低位）;溫度BCM顯示緩沖區(qū)（百位）;溫度BCM顯示緩沖區(qū)（十位）;溫度BCM顯示緩沖區(qū)（個位）;溫度二進制碼顯示緩沖區(qū)（高位）;溫度二進制碼顯示緩沖區(qū)（低位）;ADC 0809通道IN0的端口地址TEMP1 DB 00H, 00H, 00H 單元初始化（清零）ORG 0000HAJMP MAINORG 00BHAJMP PT0ORG 0030HMAIN MOV SP #59HCLR F0MOV TMOD , #01HMOV TL0 , #0B0H00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H;轉(zhuǎn)主程序;轉(zhuǎn)T0中斷服務(wù)子程序;設(shè)堆棧標(biāo)志;報警標(biāo)志清零;定時器0初始化（方式1）;定時器100ms定時常數(shù);50H58H;報警允許標(biāo)志MOV TH0 , #3CHMOV R7 , #150SETB ET0SETB EASET