【正文】 ()() ()ocpiUs RG s KU s R ?? ? ? 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出， 使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù) Kp， Kp 越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下， Kp 減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。這里就需要積分控制 . P 控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響： Kp1時(shí)： a. 開(kāi)環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減??； b. 幅值穿越頻率增大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短； c. 系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。 Kp1時(shí)：與 Kp1 時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響正好相反。 （ 2） 積分（ I）控制： +U i( t )U o ( t )RC 圖 33積分（ I）控制框圖 () 1() ()ociUsG s TSU s R C S ?? ? ? 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 5 除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI) 控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起算總帳。 （ 3） 微分（ D ）控制 +U i( t )U o ( t )CR 圖 34 微分（ D ）控制 ()() ()ociUsG s R C S TSUs ?? ? ? 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng) 在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象， 比例 +微分 (PD) 控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。它能敏感出誤差的變化趨勢(shì) ,可在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用 , 有利于提高輸出響應(yīng)的快速性 ,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲 , 降低系統(tǒng)的信噪比 , 從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。 4 方案論證與選擇 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 6 單片機(jī)型號(hào)的選擇 方案一：采用 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需要完成溫度采樣、 A/D轉(zhuǎn)換、 PID算法控制、鍵盤(pán)輸入以及顯示輸出功能。采用 AT89C51 進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單，成 本低但是 AT89C52處理速度慢，不自帶 A/D功能。需要額外搭建 A/D電路 。 方案二：采用 51系列 單片機(jī) STC12C5A60S2進(jìn)行控制。 STC12C5A60S2 是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng) 8051完全兼容，但速度快 812倍。具有 2路 PWM，8路高速 10位 A/D轉(zhuǎn)換 鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。 溫度傳感器的選擇 方案一：采用模擬分立元件 如電容、電感或晶體管等非線形元件，該方案設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易懂，操作簡(jiǎn)單，且價(jià)格便 宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成 數(shù)字化，而且測(cè)量誤差大。 故不予采納 方案 二 ： 采用 HN11 型線性溫度傳感器 HN11 型線性溫度傳感器是一種新型半導(dǎo)體溫度敏感器件，它是一種負(fù)溫度系數(shù)溫度 電壓轉(zhuǎn)換元件?？朔藗鹘y(tǒng)的溫度傳感器非線性這一長(zhǎng)久困擾儀表設(shè)計(jì)人員的難題。本質(zhì)上兼容熱電偶、熱敏電阻器的各自?xún)?yōu)點(diǎn)， 技術(shù)指標(biāo)溫度范圍： 200 +200℃ ；基準(zhǔn)電壓值（ 0℃ ）：690710mV；電壓溫度系數(shù)： mV/℃。 線性偏差 : 177。%。 但是 溫度范圍 范圍不符合要求。故不予采納。 方案 三 ：采用采用熱電阻 PT100溫度傳感器 熱 電阻也是最常用的一種溫度傳感器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，使用方便，測(cè)量范圍為 200℃ ～ 650℃ ，完全滿足要求 。 鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案三 。 電熱爐 控制模塊 方案 一：通過(guò)繼電器控制電熱爐電源的通斷，從而控制電熱爐電壓。但是繼電器是有觸點(diǎn)德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 7 開(kāi)關(guān)器件，容易產(chǎn)生火花而且通斷頻率低，干擾大。 方案二：采用雙向可控硅， 適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。工作頻高，穩(wěn)定性高，干擾小。 鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用方案二。 5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電加熱爐控制系統(tǒng)主要包括：微處理器模塊、溫度采樣模 塊、 AD轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、鍵盤(pán)、時(shí)鐘模塊、 12864顯示模塊。 總系統(tǒng)框圖如 51所示。 微處理器模塊選擇以八位單片機(jī)STC12C5A60S2微處理器為系統(tǒng)的核心。在溫度采樣模塊選擇 WZP231鉑熱電阻（ Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測(cè)量電路，其采樣范圍為 50~350176。 C。 STC12C5A60S2自帶的 10位AD功能處理溫度采樣模的采樣信號(hào)，控制雙向可控硅控制模塊。通過(guò)按鍵設(shè)置控制參數(shù)。 單片機(jī)根據(jù)公式換算把測(cè)量得的溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并將數(shù)據(jù)送出到 液晶進(jìn)行顯示。另外，外接一個(gè)時(shí)鐘 芯片 DS1302 產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理控制， 并將時(shí)間顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 A / D 轉(zhuǎn)換顯 示 模塊溫 度采 樣S T C 1 2 C 5 A6 0 S 2 微 控開(kāi) 關(guān) 電路鍵 盤(pán)電 熱 爐 圖 51總系統(tǒng)框圖 單元電路設(shè)計(jì) STC12C5A60S2 單片機(jī) CPU電路 本系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 芯片作為核心部件， STC12C5A60S2 內(nèi)部帶有 8 路 ADC 和 2 路的 DAC,32 個(gè)可編程 I/O 輸出、輸入口，內(nèi)置 64K 字閃存和 2K字的靜態(tài)存儲(chǔ)器。用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求已經(jīng)足夠使用， STC12C5A60S2 單片機(jī) CPU電路 如 圖 52所示 。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 8 P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P15/MOSI6P16/MSIO7P17/CLK8P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17X218X119P20/SCL21P21/SDA22P2223P2324P2425P2526P2727P2728PSEN29ALE/P30EA/VP31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40GND20RESET9U1STC12C5A60S2P2123456789RP110KVCCGNDVCCVCCP10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RESETX2X1EA/VPALE/PPSEN PSENP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27EA/VPALE/PGNDVCC1uFC130pFC330pFC4S212Y112MHz10KR71234567891011121314151617181920P1P10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P32P33P34P35P36P37X1X2RESETGNDS11KR41 2dianyuan1VCCGNDRXD11 2 3 4 5 6 7POERR11 2 3 4 5 6 7GND1STC12C5A60S2 最小系統(tǒng) 圖 52 STC12C5A60S2 單片機(jī) CPU電路 （ 2）溫度采樣電路 電阻式溫度傳感器 (RTD, Resistance Temperature Detector)是指一種物質(zhì)材料作成的電阻 ,它會(huì)隨溫度的改變而改變電阻值。 PT100 溫度傳感器是一種以鉑 (Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù) , 其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示： 在 0～ 650℃ 范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2) 在 200～ 0℃ 范圍內(nèi)： Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t100)t3) 式中 A、 B、 C 為常數(shù)， A=179。10 3； B=179。10 7； C=179。10 12； 由于它的電阻 — 溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下： R=Ro(1+αT) 其中 α=, Ro 為 100Ω( 在 0℃ 的電阻值 ),T 為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱(chēng)為 PT100。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 9 PT100 溫度傳感器的測(cè)量范圍廣： 200℃ ～ +650℃ ，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì) 即采用 PT100 作為溫度傳感器。 主要技術(shù)指標(biāo) ： 1. 測(cè)溫范圍： 200～ 650 攝氏度 ； 2. 測(cè)溫精度： 攝氏度 ； 穩(wěn)定性： Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)， 然后 再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。 溫度采樣電路圖 如 53 所示。 VCCR112KR14Pt1001KR16100KR122KR13231U3TL431R15GNDGNDR201KR19411112+3GNDVCCLM324GNDGND104C5GNDVCC1KR18100KR21D2103C10GNDP00接單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換 IO 口 圖 53溫度采樣電路圖 （ 3）電熱爐控制電路 雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件 ,也稱(chēng)雙向晶閘管 ,在單片機(jī)控制系統(tǒng)中 ,可作為功率驅(qū)動(dòng)器件 ,由于雙向可控硅沒(méi)有反向耐壓?jiǎn)栴} ,控 制電路簡(jiǎn)單 ,因此特別適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。雙向可控硅接通的一般都是一些功率較大的用電器 ,且連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中 ,其觸發(fā)電路的抗干擾問(wèn)題很重要 ,通常都是通過(guò)光電耦合器控制系統(tǒng)中的觸發(fā)與關(guān)斷。 此部分電路主要由 過(guò)零檢測(cè)電路 和 過(guò)零觸發(fā)電路 組成，光電耦合器與單片機(jī)端口相連，可以根據(jù)端口信號(hào)的變化迅速做出反應(yīng)，延時(shí)時(shí)間短。由于單片機(jī)的端口電壓不足以驅(qū)動(dòng)光電耦合器，故令其低電平觸發(fā)，外加上拉電阻。 與外部電阻爐相連的部分是可控硅，與光電耦合器配合輸出，以弱電控制強(qiáng)電，控制電阻爐的開(kāi)斷頻率，以達(dá)到加熱目的。由主控單片機(jī)運(yùn) 算輸出脈沖寬度可調(diào)的 PWM 波用于雙向可控硅在 1s 內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出給電爐的功率，這樣使得水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。 德州學(xué)院 物理系