【正文】 3 觸發(fā)導(dǎo)通在控制極 G 上加入正向電壓時見圖 5 因 J3 正偏 P2 區(qū)的空穴時入 N2 區(qū) N2 區(qū)的電子進(jìn)入 P2 區(qū)形成觸發(fā)電流 IGT 在可控硅的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔靡妶D 2 的基礎(chǔ)上加上 IGT 的作用使可控硅提前導(dǎo)通導(dǎo)致圖 3 的伏安特性 OA 段左移IGT 越大特性左移越快 普通晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的 主要參數(shù)有 1 額定通態(tài)平均電流 It 在規(guī)定的使用條件下．陽極陰極間可以連續(xù)通過 50H正弦半波電流的平均值 2 正向阻斷峰值電壓 Vdrm 在門極開路不加觸發(fā)信號允許重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極之間的正向峰值電壓 手冊規(guī)定重復(fù)率為 50 次／ s 持續(xù)時間不大于10MS 稱為正向阻斷峰值電壓 Vdrm 3 反向阻斷峰值電壓 Vdrm 當(dāng)晶閘管加反向電壓處于反向阻斷狀態(tài)時．可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓 手冊規(guī)定重復(fù)率為 50 次／ s 重復(fù)時間不大于 10MS 4 門極觸發(fā)電流 Igt在室溫下陽極與陰極間加有 6v正電壓時使元件完 全開通所必須的最小門極直流電流 5 維持電流 Ih 在室溫和門極斷路時保持元件處于通態(tài)所必需的最小通態(tài)電流 8279 復(fù)位后該命令字為 3FH[4] c 讀 FIFO 傳感器 RAM 命令字 讀顯示 RAM 命令字 在讀顯示 RAM 中的數(shù)據(jù)前必須先寫入命令字它的D7D6D5 011 是特征位 D3D2D1D0 是要讀的起始地址與上一命令字一樣 D4 1 時每次讀出后地址自動加 1 d 寫顯示 RAM 命令字 e屏蔽與消隱命令字 需要改寫顯示 RAM中某單元的半個字節(jié)而要求不影響即屏蔽它的另半個字節(jié)時要寫入次命令字需要使顯示熄滅即消 隱時也要寫入此命令字 f 清除命令字 在需要清除 RAM 中內(nèi)容等情況下寫入此命令字它 g 結(jié)束中斷設(shè)定出錯命令字 它有兩中功能 8279 的狀態(tài)字的格式為 D7 當(dāng)執(zhí)行清除命令字為 1 此時寫顯示 RAM 無效 D6位如為 1在 N鍵依次讀出方式時表示出錯而在傳感器方式時表示至少有一個產(chǎn)肝氣閉合 D5D4D3位分別在 FIFO傳感器 RAM溢出已空或全滿時置 1D2D1D0表示 FIFO傳感器 RAM 中的字符數(shù) 8279 的數(shù)據(jù)格式為在鍵盤方式下 D7D6 分別表示 CNTL 鍵和 SHIFT 鍵的狀態(tài)D5D4D3 表示掃描計數(shù)器的數(shù)值也即鍵盤的行號 D2D1D0 表示由 RL7RL0 確定的閉合鍵的列號在傳感器方式和選通方式時則 D7D6 分別與 RL7RL0 的值相對應(yīng) [2] 當(dāng) 8279 的 CS 為高電平時 8279 才進(jìn)入工作狀態(tài)即 CS 1 A0 1 時是命令狀態(tài)字假設(shè)其余的全為低電平 即為 1000 0000 0000 0001 8001H A0 0 時是數(shù)據(jù)口地址假設(shè)其余的全為低電平 即為 1000 0000 0000 0000 8000H AD 轉(zhuǎn)換芯片 一般常見的有四種 AD 轉(zhuǎn)換電路其用途與性能見下表 表 14 常見 4 種 AD 轉(zhuǎn)換電路 用途與性能 AD 轉(zhuǎn)換電路 性能 用途 計數(shù)器式 最簡單價格低轉(zhuǎn)換速度很慢 用得少 雙積分式 精度高能消除干擾轉(zhuǎn)換速度也慢 用得多多見于數(shù)字式儀表 逐次逼近式 轉(zhuǎn)換速度快 用得最多 并行式 轉(zhuǎn)換速度最快但硬件多成本高 只用于要求轉(zhuǎn)換速度很快的的場合 這里選用的是ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片是 8 位逐次比較式 AD 轉(zhuǎn)換芯片具有地址鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)應(yīng)用單一 5V 電源其模擬量輸入電路的范圍為 05V 對應(yīng)的數(shù)值量輸出為 00HFFH 轉(zhuǎn)換時間為 100us 無須調(diào)零或調(diào)整滿量程 圖 110 ADC0809 芯片引腳圖 ADC0809 有 28 個引腳在精度要求不太高的情況下供電電源就用做基準(zhǔn)電源該芯片中的 START 是芯片中的起動引腳其上脈沖的下降沿起動一次新的 AD 轉(zhuǎn)換EOC 是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號可用于向單片機(jī)申請中斷或供單片機(jī)查詢 OE 是輸出允許端CLK 是時鐘端因芯片的時鐘頻率最高只可工作于 640kHZ 故通常由單片機(jī)的 ALE引腳經(jīng)分頻后接向該引腳 電源電路 圖 111 電源電路 在此電路里穩(wěn)壓器 7805 的壓降是 25V 偏移電流是 6mA 我們需要的電壓是 5V電路提供的電壓是 9V 則電阻承擔(dān)的電壓為 15V 由 此得 11 圖 112 電壓波形圖 14 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制實(shí)例 在很多行業(yè)中有大量的應(yīng)用電加熱設(shè)備如用于熱處理的加熱爐用于融化金屬的干果電阻爐及各種不同用途的溫箱等人們都需要對它們的溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制 以上是設(shè)計系統(tǒng)中要用的主要芯片的簡介 2 電加熱爐控制系統(tǒng)的控制算法 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展在冶金化工機(jī)械等各類工業(yè)制造中電加熱爐得到了廣泛的應(yīng)用其溫度控制具有非線性大大滯后大慣性時變性升溫單向性等特點(diǎn)在傳統(tǒng)的控制中遇到 了極大的困難在本文中采用算法簡單效果好的 PID 控制算法與一般的控制算法相比具有計算量小控制結(jié)果簡單靜動態(tài)性能較好等特點(diǎn)有較高的使用價值 21 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 在這里討論的電加熱爐爐溫控制由上下兩組爐絲進(jìn)行加熱用上下兩組熱電偶檢測爐溫為了降低電加熱爐的成本爐絲采用電阻絲直接加熱系統(tǒng)要求采用實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制控制溫度誤差范圍 5℃調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于 30 系統(tǒng)被測參數(shù)是溫度由單片機(jī) PID 運(yùn)算得出的控制量控制光控可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷以便切斷或接通加熱電源調(diào)整電功率從而控制電加熱爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的值上并 實(shí)時顯示爐內(nèi)溫度記錄溫度的變化過程以更好的控制電加熱爐工作本系統(tǒng)較理想地解決了爐溫控制中平穩(wěn)性快速性與精度之間的矛盾 與電阻爐的時間常數(shù)相比晶閘管調(diào)壓器溫度變送器功率放大器等環(huán)節(jié)都可以簡化成比例環(huán)節(jié)在設(shè)計過程中的不管用哪種方法得到控制系統(tǒng)的參數(shù)直接使用時控制的效果不一定很好必須結(jié)合實(shí)際調(diào)試來選擇數(shù)字控制器的參數(shù)所謂的設(shè)計過程中的調(diào)試就是按照公式計算出參數(shù)的數(shù)值然后送入到微機(jī)中運(yùn)行觀察效果如果效果不好則對相應(yīng)的值作部分修改一直調(diào)試到滿意的控制效果為止調(diào)試的過程中先按比例調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行比例系數(shù)由小到大地改變?nèi)缓蠹?入積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分時間常數(shù)有大到小地改變 22 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 電加熱爐本身由上下兩組爐絲加熱用上下兩組熱電偶檢測爐內(nèi)溫度因此電加熱爐為一雙輸入雙輸出的受控對象由于在各類工業(yè)控制中時滯現(xiàn)象相當(dāng)普遍對于許多大的時間常數(shù)系統(tǒng)也可以用適當(dāng)?shù)臅r間常數(shù)加純滯后環(huán)節(jié)來近似因此可以用階躍響應(yīng)近似確定電加熱爐的連續(xù)模型本文采用被控對象的數(shù)學(xué)模型為 21 由于電加熱爐本身是一個較復(fù)雜的被 控對象它具有非線性時變和分布參數(shù)等特性所以通常我們把這個雙輸入雙輸出系統(tǒng)分解成兩個單輸入單輸出的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為上式兩個系統(tǒng)的輸入輸出之間的相互影響看作是干擾假設(shè)檢測元件的函數(shù)模型為 H s 根據(jù)反饋控制系統(tǒng)圖可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 工作原理熱電偶可將檢測的溫度轉(zhuǎn)換成 mV 級的電壓信號經(jīng)溫度變送器放大后送入 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較經(jīng) PID 調(diào)節(jié)后輸出驅(qū)動信號控制光控可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的若檢測的實(shí)際值與設(shè)定值相比高則報警低則控制繼續(xù)加熱 圖 21 反饋控制系統(tǒng) 圖中 G s 與 Gc s 分別為控制器和被控對象的傳遞函數(shù)模型其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 22 由以上公式得到 PID 的傳遞函數(shù) 23 23 PID 控制器的控制算法 以下介紹了其中的一種積分分離 PID 控制的控制算法 圖 22 具有積分分離的 PID 控制過程 連續(xù)系統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)器為對誤差的比例積分和微分控制即 或 25 式中 TiTd分別為積分和微分 時間常數(shù) KpKiKd分別為比例系數(shù)積分系數(shù)微分系數(shù)在計算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是 PID 數(shù)字調(diào)節(jié)器就是對式離散化 令 26 式中 T 是采樣周期由式與式可得 27 式稱為位置式 PID 控制算法 由于位置式算法輸出在計算過程中容易產(chǎn)生積分飽和作用導(dǎo)致控制器的響應(yīng)速度變慢而且由于積分的累積作用在手動和自動切換時 很難做到無擾動切換因此人們又提出一種新的控制算法 PID 增量式控制算法 28 在普通的數(shù)字 PID 數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差提高精度但在過程的啟動結(jié)束或大幅度增減設(shè)定植時會造成 PID 運(yùn)算積分積累致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大的動作范圍所對應(yīng)的極限控制量最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)甚至引起系統(tǒng)的振蕩這是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)所不允許的為了避免上述情況的發(fā)生才用積分分離 PID 控制算法及保持了積分作用又可以減小超調(diào)量使得控制性能有了較大的改善其具體實(shí)現(xiàn)如下 1 根據(jù)實(shí)際情況 設(shè)定一閾值ε 0 2 當(dāng) e k ε時也即偏差值 e k 比較大時采用 PD 控制可避免過大的超調(diào)又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng) 3 當(dāng) e k ≤ε時也即偏差值 e k 比較小時采用 PID 控制可保證系統(tǒng)的控制精度 對于算法實(shí)現(xiàn)可在積分項(xiàng)乘一個系數(shù)ββ按下式取值 29 當(dāng) e k ε時即β 0 進(jìn)行 PD 控制 PD 控制算法為 210 當(dāng) e k ≤ε時即β 1 進(jìn)行 PID 控制 PID 控制算法為 211 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響 1 比例控制 Kp 對系統(tǒng)性能的影響 1 對動態(tài)性能的影響 比例控制 Kp加大使系統(tǒng)的動作靈敏速度加快 Kp偏大振蕩次數(shù)加多調(diào)節(jié)時間加長當(dāng) Kp 太大時系統(tǒng)回趨遇不穩(wěn)定若 Kp 太小又會使系統(tǒng)的動作緩慢 2 對穩(wěn)態(tài)性能的影響 加大比例控制 Kp 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可以減小穩(wěn)態(tài)誤差 ess 提高控制精度但是加大 Kp 只是減少 ess 卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差 2 積分控制 Ti 對控制性能的影響 積分控 制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合使用構(gòu)成 PI 控制或 PID 控制 1 對動態(tài)性能的影響 積分控制 Ti 通常使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定 Ti 偏小振蕩次數(shù)較多 Ti 太大對系統(tǒng)性能的影響減少當(dāng) Ti 合適時過渡特性比較理想 2 對穩(wěn)態(tài)性能的影響 積分控制 Ti 能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差提高控制系統(tǒng)的控制精度若是太大時積分作用太弱以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差 3 微分控制 Td 對控制性能的影響 微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合作用構(gòu)成 PD 控制或 PID 控制 微分控制可以改善動態(tài)特性如超調(diào)量σ p 減少調(diào)節(jié)時間 ts 縮短允許加大比例控制使穩(wěn)態(tài)誤 差減小提高控制精度 當(dāng) Td 偏大時超調(diào)量σ p 較大調(diào)解時間較長 當(dāng) Td 偏小時超調(diào)量σ p 也較大調(diào)解時間 ts 也較長只有合適時可以得到比較滿意的過程 PID 控制器參數(shù) PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)積分時間和微分時間的大小 PID控制器參數(shù)整定的方法很多概括起來有兩大類一是理論計算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改二是工程整定方法它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)直接在 控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行且方法簡單易于掌握在工程實(shí)際中被廣泛采用 24 電加熱爐積分分離 PID 控制的仿真研究 MATLABSIMULINK 環(huán)境是一種系統(tǒng)仿真工具軟件其使用可大大提高系統(tǒng)仿真和 CAD 的效率和可靠性 SIMULINK 的含義相當(dāng)直觀其明顯地表明該軟件的 2 個顯著功能 simu仿真與 link連接亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型然后利用 SIMULINK 提供的功能來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或線形化分