計算機控制技術-溫度控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電氣工程及其自動化專業(yè) 計算機控制技術課程設計 說明書規(guī)范（學生用）1、說明書基本格式說明書規(guī)定所有文字內(nèi)容為打印稿，各曲線和軌跡用MATLAB軟件繪制。2、說明書結構及要求（1）封面包括：題目、系別、班級、完成日期、成績及指導教師（簽字）、學生姓名等項。（2）目錄 要求層次清晰，給出標題及頁次。打印時各章題序及標題用小4號黑體, 其余用小4號宋體。行間距為固定值18磅，段前段后0行。（3）正文（課程設計報告要求）正文應按照目錄所確定的順序依次撰寫設計報告要寫出詳細的設計步驟，每步設計時用到的理論依據(jù)和結果，要求計算機輔助設計過程包括Simulink仿真框圖，利用Ma

2、tlab語言對系統(tǒng)進行輔助設計、仿真和調(diào)試。（4）參考文獻（4-6篇）中外文參考文獻按下述順序和格式書寫：1申晉，朱維申等三峽永久船閘高邊坡巖體裂隙分布的分形研究巖土力學學報，1998，20(5):35392毛昶熙，周名德等閘壩工程水力學與設計管理.北京：水利電力出版社，1995：89英文參考文獻及期刊雜志3Tanzi，VitoTheory and policy：A comment on Dixie and on current tax theoryInternational Monetary and Fund Staff Paper (IMF), Vol.39, No.4, 1992: 95

3、7-966著作按下述格式書寫：4Rudiger DorbuschPolicy making in the Open EconomyOxford University Press Inc., 1993: 1493、裝訂要求（1）沿左側裝訂；（2）裝訂順序：封面、任務書、目錄、正文、參考文獻。天津城建大學課程設計任務書2013 2014 學年第 2 學期 控制與機械工程 學院 電氣工程及其自動化 專業(yè) 電氣2011級 1班 課程設計名稱： 計算機控制技術課程設計13 設計題目： 溫度控制系統(tǒng)設計 完成期限：自 2014 年 7 月 7 日至 2014 年 7 月 11 日共 1 周設計依據(jù)、要求及

4、主要內(nèi)容：熱阻絲加熱電爐是利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加電壓，改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變爐內(nèi)溫度?？煽毓杩刂破鬏斎?-5V時，對應爐內(nèi)溫度0-300，溫度傳感器的測量值對應也是0-5V。被控對象的特性是二階慣性系統(tǒng)，慣性時間常數(shù)20s. 基本要求：1. 設計溫度控制系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)，畫出框圖；2. 編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤上接受，采樣周期T和閾值；3. 計算機仿真被控對象，編寫仿真程序；4. 通過數(shù)據(jù)分析T的改變對超調(diào)量的影響；5. 總結與思考6. 撰寫課程設計說明書。指導教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準日期：2014年6月18日專心-專注-專業(yè)目錄0七、

5、0溫度控制系統(tǒng)設計一、設計任務及要求熱阻絲加熱電爐是利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加電壓，改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變爐內(nèi)溫度?？煽毓杩刂破鬏斎?-5V時，對應爐內(nèi)溫度0-300，溫度傳感器的測量值對應也是0-5V。被控對象的特性是二階慣性系統(tǒng)，慣性時間常數(shù)20s. 基本要求：7. 設計溫度控制系統(tǒng)的計算機硬件系統(tǒng)，畫出框圖；8. 編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤上接受，采樣周期T和閾值；9. 計算機仿真被控對象，編寫仿真程序；10. 通過數(shù)據(jù)分析T的改變對超調(diào)量的影響；11. 總結與思考12. 撰寫課程設計說明書。二、方案比較論證用溫度傳感器來檢測爐的溫度，將爐溫轉變成毫伏級的電

6、壓信號，經(jīng)溫度變送器放大并轉換成電流信號。由電阻網(wǎng)絡講電流信號變成電壓信號，送入A/D轉換器，通過采樣和模數(shù)轉換，所檢測到的電壓信號和爐溫給定值的電壓信號送入計算機程序中作比較，得出給定值與實際值之間的偏差，并與進行比較，從而確定算法。計算得到的控制量輸出給可控硅控制器，改變可控硅的導通角，達到調(diào)壓的目的，是電阻絲兩端的電壓增大或較小，進而實現(xiàn)對爐溫的控制。方案一：熱電偶溫度自動控制系統(tǒng)。 方案二：數(shù)字溫度傳感器溫度控制系統(tǒng)。這兩個方案都是采用單片機控制，兩個方案的比較部分為溫度檢測部分。方案一溫度檢測部分檢測部分采用熱電偶，它需要冷端補償電路與其配套，并且熱電偶輸出電壓只有幾毫負，必須經(jīng)過放

7、大處理才能A/D轉換和D/A轉換器接口，若采用8位A/D轉換器，ADC0809則輸人端需采用儀用放大器，把幾毫伏的電壓信號放大到5伏左右。由于熱電偶屬于非線性器件，因此每個溫度值都必須通過分度表，查表才能獲得，這給軟件編程和數(shù)據(jù)處理增加了難度。這種系統(tǒng)具有測量溫度范圍可以從零下一百度到早上千攝氏度，而且有很多熱電偶精度非常高這是這種測量系統(tǒng)的優(yōu)點。但構成系統(tǒng)復雜，抗干擾能力不強。方案二采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它的最高分辨率為12位，可識別0.0625攝氏度的溫度。它具有直接輸出數(shù)字信號和數(shù)據(jù)處理，并且它和單片機接口只需要一位I/O口，因此由它構成的系統(tǒng)簡單使用，由于DS18B20，按

8、照工業(yè)設計要求設計，抗干擾性能強。但溫度測量范圍從。根據(jù)設計要求，綜合考慮選擇方案一。控制芯片采用8051，要求傳感器測量的電壓范圍和可控硅控制器的電壓在0-5，所以A/D與D/A轉換芯片采用ADC080和9DAC0832。爐溫控制在0300內(nèi)，因此采用鎳鉻-銅鎳熱電偶，同時選用運算放大器將信號放大。由以上分析控制過程，可以得到如圖1的設計框圖：顯示電路鍵盤控制電爐傳感器數(shù)據(jù)采集控制電路計算機圖1 系統(tǒng)結構框圖三、系統(tǒng)硬件設計爐溫信號T通過溫度檢測及變送，變成電信號，與溫度設定值進行比較，計算溫度偏差e和溫度的變化率de/dt，再由智能控制算法進行推理，并得控制量u，可控硅輸出部分根據(jù)調(diào)節(jié)電加

9、熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時間，使電加熱爐輸出溫度達到理想的設定值。3.1 系統(tǒng)硬件結構ADC0809的INT0端口所連接的電阻起到給定預定值的作用，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器劃片的位置，改變INT0端口的電壓，該電壓通過0809轉換為數(shù)字量被計算機讀取。將一個0-5V的電壓表連接到可變電阻上，測量其電壓，再將其表盤改裝為溫度表盤，即將原來的0-5V的刻度均勻分為300份，每一份代表1，則可以讀取預定的溫度值。ADC0809的INT1端口與熱電偶相連。由8051構成的核心控制器按智能控制算法進行推算，得出所需要的控制量。由單片機的輸出通過調(diào)節(jié)可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率，起到調(diào)溫的

10、作用 。 3.2系統(tǒng)硬件的選擇微型計算機的選擇：選擇8051單片機構成爐溫控制系統(tǒng)。它具有8位CPU，3 2根I/O線，4 kB片內(nèi)ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器。8051對溫度是通過可控硅調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的。在系統(tǒng)開發(fā)過程中修改程序容易，可以大大縮短開發(fā)周期。同時，系統(tǒng)工作過程中能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，不受系統(tǒng)掉電或斷電等突發(fā)情況的影響。8051單片機內(nèi)部有128 B的RAM存儲器，不夠本系統(tǒng)使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲器。 熱電偶的選擇：本設計采用熱電偶-鎳絡-銅硅熱電偶(線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性較好，抗氧化性強，價格便宜)對

11、溫度進行檢測。鎳鉻-銅鎳熱電偶在300時的熱點勢21.033mV，為滿足0-5V的要求，需將其放大238倍，再通過0809將其轉換為數(shù)字量被計算機讀取，通過軟件程序對數(shù)據(jù)進行處理，將處理的結果經(jīng)0832輸出，輸出量控制可控硅控制器，從而改變電阻絲兩端的電壓，使爐溫得到控制。3.3 系統(tǒng)硬件連接圖綜合以上分析，可以得出系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2所示：四、系統(tǒng)軟件設計4.1 確定程序流程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是

12、落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。

13、特別對于溫度等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象更為嚴重，為此，可采用積分分離措施，即偏差較大時，取消積分作用；當偏差較小時才將積分作用投入。亦即 當時，采用PD控制； 當時，采用PID控制。積分分離閾值應根據(jù)具體對象及控制要求。若值過大時，則達不到積分分離的目的；若值過小，則一旦被控量無法跳出個積分分離區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差，為了實現(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，進行特殊處理。根據(jù)設計要求及所選硬件，程序流程如圖3所示：開始系統(tǒng)初始化設置數(shù)據(jù)采集A/D轉換求出溫度值信號比較PID調(diào)節(jié)可控硅調(diào)節(jié)加熱爐圖3 程序的主流程圖4.2 程序控制算法介紹 由以上分析，本次

14、設計采用的是積分分離PID控制算法，PID調(diào)節(jié)時連續(xù)系統(tǒng)中技術中最成熟的，應用廣泛的一種調(diào)節(jié)控制方式。在模擬控制系統(tǒng)中，PID算法的表達為： u：調(diào)節(jié)器的輸出信號；e：偏差信號；K：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI：調(diào)節(jié)器的積分時間；TD：調(diào)節(jié)器的微分時間。 在計算機控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對式上式進行離散化處理。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差； e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。由以上可得： 式中，T為采樣時間，項為積分項的開關系數(shù)積分積分分離PID控制算法程序框圖如圖4所示：圖4 積分分離PI

15、D控制算法程序框圖五、系統(tǒng)仿真被控對象為：采用simulink仿真，通過simulink模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算法。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：clear all;close all;ts=2; %采樣時間2ssys=tf(1,400,40,1);dsys=c2d(sys,ts,zoh); %將sys離散化num,den=tfdata(dsys,v); %求sys多項式模型參數(shù)kp=10;ki=0.25;kd=5;Simulink仿真圖如下：圖6 Simulink仿真圖經(jīng)仿真后，當=0.02時的仿真圖如下所示：圖7 =0.02時的仿真圖當=0.05時的仿真圖如下所示：圖8 =0.05時的仿真圖當=1.0時的仿真圖如下所示：圖9 =1.0時的仿真圖由以上可得，當值過大時，達不到積分分離的目的，若值過小，則一旦被控量無法跳出各積分分離區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差。六、心得與體會計算機控制系統(tǒng)課程設計中，通過自己上課學習到的知識，實驗中的操作中，課下的搜查資料中，自己認識到了許多，這些也通過課程設計中顯現(xiàn)出來。我也了解了微機控制中PID積分分離法的基本概念及其對系統(tǒng)設計的相關