計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于PID算法電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、- 成績 ?計(jì)算機(jī)控制技術(shù)?課程設(shè)計(jì)題目：基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班級：自動(dòng)化09-1：*：2021年1月1日基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：電加熱爐控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。本設(shè)計(jì)采用PID算法進(jìn)展溫度控制，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)溫度的較為準(zhǔn)確的控制。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為控制核

2、心，輸入通道使用AD590傳感器檢測溫度，測量變送傳給ADC0809進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)造過零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)PID算法，將溫度控制在50350圍，并能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前溫度值。 關(guān)鍵詞：電加熱爐；PID ； 功率；溫度控制；1.課程設(shè)計(jì)方案1.1 系統(tǒng)組成中體構(gòu)造電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如下，主要由溫度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路、顯示電路及按鍵電路等組成。系統(tǒng)采用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經(jīng)過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道

3、。2.控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)2.1 數(shù)字PID控制算法在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)-時(shí)間信號(hào),必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和存放器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不管是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時(shí)間PID算法的差分方程。 用矩形積分時(shí)，有 (1

4、) 用差分代替微分 2 由上式得 3 式中 u0控制量的基值，即k=0時(shí)的控制；u(k)第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制；KP比例放大系數(shù)；KI積分放大系數(shù)；KD微分放大系數(shù)；TS采樣周期。 式3是數(shù)字PID算法的非遞推形式，稱全量算法。算法中，為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過去值e(j)j=1，2，3，. ，k都存儲(chǔ)起來。這種算法得出控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，例如在閥門控制中，這種算法的輸出對應(yīng)了閥門的位置開度。所以，將這種算法稱為“位置算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要用PID的“增量

5、算法。由位置算法求出 再求出 兩式相減，得出控制量的增量算法 (4)式(4)稱為增量式PID算法。對增量式PID算法4歸并后，得 (5) 其中5已看不出是PID的表達(dá)式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式5看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就足夠了。3.硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度檢測及功率放大電路本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測電阻爐中的溫度，熱電偶測溫是基于物體的熱電效 應(yīng)，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測溫圍廣、精度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、

6、可靠，因此被廣泛應(yīng)用。其缺乏之處是測溫精度受冷端溫度即環(huán)境溫度的影響，為了提高熱電偶測溫精度，需要在熱電偶冷端進(jìn)展溫度補(bǔ)償。溫度檢測電路及功率放大電路如以下圖。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273A+ T0×1A/，式中，T0為室溫。負(fù)載電阻R3上輸出電壓UOUT= Iu R3，選擇電阻R3使UOUT在AD590允許輸入電壓圍。本系統(tǒng)選擇R3=10 k。這種測量方法冷端溫度準(zhǔn)確，抑制了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn)。 熱電偶傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱只有幾毫伏到幾十毫伏，因此在進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)展信號(hào)變送，由高放大倍數(shù)的電路將

7、它放大到A/D轉(zhuǎn)換器通常所要求的電壓圍，熱電偶的輸出熱電勢為056 mV。本系統(tǒng)前級選用自穩(wěn)態(tài)高精度斬波運(yùn)放 ICL7650，輸入信號(hào)為差動(dòng)信號(hào)，放大倍數(shù)為15倍。后級運(yùn)放選用較廉價(jià)的A741，放大倍數(shù)可調(diào)，最大可達(dá)100倍，主要完成反相功能。ICL7650輸入端的鉗位二極管起保護(hù)作用，防止輸入線路發(fā)生故障時(shí)的瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放，輸入電壓可直接送入AD574A進(jìn)展轉(zhuǎn)換。3.2 AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如以下圖所示，AD574A工作在12位狀態(tài)，轉(zhuǎn)換值分兩次輸出，高8位從DB4DB11輸出，低4位從DB0DB3輸出，并直接和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連，AD574A的片選端接鎖存器的Q7端，低電平有效

8、;CE為片選使能端，高電平有效;CS 和CE共同用于片選控制，只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，才能選中本芯片工作。A0端接鎖存器74LS373的Q1端。A0=0時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。R/接鎖存器74LS373的Q0端。R/=0時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;R/=1時(shí)，允許讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AT89C51的和經(jīng)“與非門74LS00與AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分兩次從AD574A讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的SSR控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而到達(dá)自動(dòng)控溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐說明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中

9、頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對電阻爐這樣的慣性較大的被控對象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。 調(diào)功原理為:設(shè)電網(wǎng)連續(xù) N個(gè)完整的周波為一個(gè)控制周期TC，則 假設(shè)在設(shè)定的控制周期TC控制主回路導(dǎo)通 nnN個(gè)完整的周波，則負(fù)載功率為 式中，U為電網(wǎng)電壓有效值; 為負(fù)載的有效電阻。因此，控制在設(shè)定周期TC主回路導(dǎo)通的周波數(shù) n的個(gè)數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。采用交流過零型固態(tài)繼電器控溫時(shí)需交流過零檢測電路，此電路輸出對應(yīng)于50 Hz交流電壓過零時(shí)刻的脈沖，在交流電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通。如以下圖是一種由兩個(gè)光電耦合器和一個(gè)單

10、穩(wěn)態(tài)電路組成的交流過零檢測電路。 其中，GD1、GD2為光電耦合器，具有檢零和隔離功能，R10為限流電阻。在交流正半周，GD1導(dǎo)通，GD2截止，VA為低電平;在交流負(fù)半周，GD1截止，GD2導(dǎo)通，VA仍為低電平。只有在交流過零點(diǎn)時(shí)，GD1和GD2均截止，VA為高電平。VA再經(jīng)過74LS123單穩(wěn)態(tài)電路整形，得到一過零脈沖序列VB，VB波形。VB脈沖序列再與單片機(jī)P1.*輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)展“與非運(yùn)算后得到控制信號(hào)。用它來控制固態(tài)繼電器，從而調(diào)節(jié)電阻爐溫度。 交流過零檢測電路3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)正常運(yùn)行時(shí)綠燈亮，在保溫階段爐溫度超出系統(tǒng)允差圍，就要進(jìn)展報(bào)警。報(bào)警時(shí)報(bào)警紅燈亮，電笛響，同時(shí)發(fā)送中

11、斷信號(hào)至CPU進(jìn)展處理。如圖加熱爐報(bào)警系統(tǒng)圖3.5 設(shè)計(jì)輸入輸出通道輸入通道：因?yàn)樗氐膶?shí)際溫度在50 350，即35050300所以選用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為1.5/字，再加放大器偏置措施實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整放大器的零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)偏置這里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)以及微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意一個(gè)通道的模擬信號(hào)。這種器件無需進(jìn)展零位和滿量程調(diào)整。由于多路開關(guān)的地址輸入局部能夠進(jìn)展鎖存和譯碼，而且其三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算

12、機(jī)接口。其具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響較小，能較長時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功耗較低，故用于過程控制是比較理想的器件。ADC0809應(yīng)用接線圖輸出通道：據(jù)其實(shí)際情況，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可低于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，因?yàn)橐话憧刂葡到y(tǒng)對輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常用的DAC0832芯片。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進(jìn)的CMOS工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小。它的部具有兩級輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，因DAC0832電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運(yùn)算放大器，Rf為為運(yùn)算放大器的反響電阻端。雙

13、極性電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路通常采用偏移二進(jìn)制碼、補(bǔ)碼二進(jìn)制碼和符號(hào)一數(shù)值編碼。只要在單極性電壓輸出的根底上再加一級電壓放大器，并配以相關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成雙極性電壓輸出。在上圖中，運(yùn)算放大器A2的作用是把運(yùn)算放大器A1的單向輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向輸出。4.軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序流程圖 4.1.1 系統(tǒng)主程序框圖 4.1.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖 4.1.3 LED顯示流程圖4.1.4 報(bào)警程序流程圖4.1.5數(shù)字控制算法子程序流程圖4.2 程序清單4.2.1 主程序ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP KEYSORG 000BHAJMP PIT0ORG 001BHA

14、JMP PIT1 ；中斷入口及優(yōu)先級MAIN： MOV SP，*00H CLR 5FH ：清上下限越限標(biāo)志 MOV A，*00HMOV R7，*09HMOV R0，*28HLP1：MOV R0，AINC R0 DJNZ R7，LP1MOV R7，*06HMOV R0，*39HLP2：MOV R0，AINC R0DJNZ R7，LP2MOV R7，*06HMOV RO，*50HLP3：MOV R0，AINC R0DINZ R7，LP3 ；清顯示緩沖區(qū)MOV 33H，*00HMOV 34H，*00H ；賦KP上下字節(jié)MOV 35H，*00HMOV 36H，*00H ； 賦KI上下字節(jié)MOV 37H

15、，*00H MOV 38H，*00H ； 賦KD上下字節(jié)MOV 42H，*00HMOV 43H，*00H ；賦K上下字節(jié)MOV TMOD，*56H ；T0方式2，T1方式1計(jì)數(shù)MOV TLO，*06HMOV THO，*06H MOV 25H，*163H ；設(shè)定值默認(rèn)值350SETB TR0 ；鍵盤高優(yōu)先級SETB ET0SETBE*0SETB EA ；開鍵盤T0。T1中斷LOOP：MOV R0，*56H MOV R1，*55H LCALLSCACOV ；標(biāo)度轉(zhuǎn)化 MOV R0，*53H LCALLDIR NOP LCALLDLY10MS NOP LCALLDLY10MS AJMP LOOP；等

16、中斷4.2.2 鍵盤子程序KEYS：CLR E*0 CLR EA PUSH PSW PUSH ACC ；關(guān)中斷 LCALLDLY10MS ；消抖CC： P3.2 AASETB 5DH ；置“顯示設(shè)定值溫度值標(biāo)志MOV A，25H ；取運(yùn)算位的值MOV B，*10H ；BCD碼轉(zhuǎn)化DIV A BMOV 52H，AMOV A, BMOV 51H, AMOV R0,*50HLCALL DIR ；顯示設(shè)定溫度NOPLCALLDLY10MSNOPLCALL DLY10MS P1.7 ,BBMOV R1,*25HLCALL DAAD1NOP LCALL DLY10MS AJMP CCBB: P1.6 CC

17、MOV R1,*25HLCALL DEEC1NOPLCALL DLY10MSAJMP CCAA: POP ACCPOP PSWSETB E*0SETB EA ；出棧RETI4.2.3 顯示子程序DIR: MOV SCON ,*00H ；置串行口移位存放器狀態(tài)SETB P1.4 ；開顯示 5DH,DL1 ；顯示設(shè)定溫度DL2: MOV DPTR,*SEGTDL0: MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF ,ALOOP1: JNB TI, LOOP1 CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRANL A, *7FH ；使數(shù)帶小數(shù)點(diǎn)MOV SBUF ,AL

18、OOP2: JNB TI,LOOP2CLR TIINC R0MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,ALOOP3: JNB TI,LOOP3CLR TICLR P1.4CLR 5DHRETDL1: MOV 50H,*0AH ；小數(shù)位黑屏 AJMP DL2SEGT: DB 0C0H ,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH4.2.4 加一子程序DAAD1: MOV A,*00H ORL A,R1 ADD A,*01H CJNE A,*30H,DAAD2 ；超過48度了嗎?DAAD3: MOV R1,ADAA: RETDAAD2

19、: JC DAAD3MOV R1,*15EH ；超過48則轉(zhuǎn)回到355AJMP DAA4.2.5 減一子程序DEEC1:MOV A,R1DEC A CJNE A,*15EH,DEEC2 ；低于355度了嗎?DEEC3:MOV R1,A DEE : RETDEEC2: JNC DEEC3 MOV R1,*30H ；低于355則轉(zhuǎn)回到48AJMPDEE 4.2.6 T0中斷子程序PTT0: CLR EAPUSH ACCPUSH PSWPUAH DPLPUSH DPHSETB EA ；壓棧后開中斷響應(yīng)鍵盤PPP: LCALLSMAP ；采樣數(shù)據(jù)LCALL FILTER ；數(shù)字濾波MOV A,2AH

20、;取采樣值CJNE A,*07H,AAA ；下限48比較AJMP BBBAAA: JC CCC ；小于48度轉(zhuǎn)CJNEA,*0FEH ,DDD ；上限355比較AJMP BBB ；轉(zhuǎn)至48355正常圍處理DDD: JC BBCLR P1.2 ；大于355黃燈亮SETB 5EHCLR P1.1 ；置標(biāo)志 啟動(dòng)風(fēng)扇AJMP PPPCCC: CLR P1.3 ；小于48紅燈亮SETB 5FHBBB: CLR P1.0 ；置標(biāo)志啟動(dòng)電爐AJMPPPPSETB P1.0SETB P1.1SETB P1.2SETB P1.3CLR 5EHCLR 5FH ；50350之間正常LCALL PIDJNB 20H

21、,EEF ；設(shè)定溫度小于實(shí)際值轉(zhuǎn)到風(fēng)扇MOV A,29HLCALLFFFCLR P1.0LOOP10: MOV R0,*56H ；存放相乘結(jié)果的首址MOV R1,*55H ；賦顯示緩沖區(qū)最高位地址LCALL SCACOV ；標(biāo)度轉(zhuǎn)化 MOV R0,*53H；;賦顯示首址 CLR DIR D5H,LOOP10 ；等待T1中斷 CLR EA POP DPH POP DPL POP PSWSETB EAPOP ACCRETIEEE: MOV A,28H ；風(fēng)扇處理 LCALL FFF CLR P1.1AJMP LOOP10FFF: CRL A ；根據(jù)PID結(jié)果計(jì)算T1初值 INC A MOV TL1

22、,A MOV TH1,*0FFHSETB PI1 SETB TR1 SETB ET1 RET4.2.7 采樣子程序SWAP: MOV R0,*20H MOV R1,*03HSAW1: MOV DPTR,*7FF8H MOV* DPTR A ；A/D轉(zhuǎn)化 MOV R2,*20HDLY: DJNZ R2,DLY ;延時(shí)HERE: P3.3 ,HEREMOV DPTR,*7FF8HMOV* A,DPTR ；讀轉(zhuǎn)化結(jié)果MOV R0,AINC R0DJNZ R1,SAM1RET4.2.8 數(shù)字濾波FILTER: MOV A, 20HCJNE A,2DH CMP1AJMP CMP2CMP1: JNC CM

23、P2*CH A,2DH *CH A,2CHCMP2: MOV A,2DH CJNE A,22EH,CMP3 MOV 2AH,A AJMP RRCMP3: JC CMP4 MOV 2AH,A AJMP RRCMP4: MOV A,2EHCJNE A,2CH,CMP5MOV 2AH ,AAJMP RRCMP5: JC CMP6 *CH A,2CHCMP6: MOV 2AH,ARR: RET4.2.9 T1中斷PIT1: CLR 00H 20H, GGGSETB P1.0 ；關(guān)閉電爐GG: CLR PT1RETIGGG:SETB P1.1 ；關(guān)閉風(fēng)扇CLR 20H AJMP GG5. 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本

24、系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測局部選用AD590作為傳感器，ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器采用光耦驅(qū)動(dòng)電路及雙向可控硅電路。通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步說明數(shù)字PID進(jìn)展控制時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)優(yōu)越。特別適用于對象為滯后的系統(tǒng)，因此PID算法是一種較好的控制算法，能在工業(yè)控制中得到較好地應(yīng)用。The design of electric heating furnace temperature control system basing on the digital PIDAbstract:The electric heating furnace belongs to

25、the first-order inertial .Its inertial,hysteretic and nonlinearity feature bring about difficulty to traditional control method. This curriculum design apply the digital PID theory to control the temperature of electric heating furnace ,so as to make the whole closed-loop system' s transfer function to be a delay and First-order inertia link in series. As a result the te