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基于pid算法的水溫控制器的設計論文-文庫吧在線文庫

2024-12-30 20:16上一頁面

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【正文】 數(shù)點。振蕩器比 諧振器多了一個重要技術(shù)參數(shù)為:諧振電阻 。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。 89C51 與外圍電路的接口 本系統(tǒng)采用 P1口與 鍵盤電路 連接, 口與 DS18B20 的數(shù)據(jù)端 連接。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。當振蕩器復位器 件時,要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當 P1 口的管腳第一次寫 1時,被定義為高阻輸入。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容還包括了符號位 S和二進制小數(shù)部分。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響,測溫誤差較大。 溫度的檢測與控制是自動控制工程的重要任務之一。 溫度檢測與變送環(huán)節(jié) 檢測與變送設備主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設計的總體考慮來決定。 如圖 21所示。可以將采樣頻率提高到很多的水平,使控制結(jié)果更準確,實時性、控制效果更好。 驅(qū)動加熱采用固態(tài)繼電器, 在實行控制的時候不像其它采用D/A 轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法,而是直接外接一個固態(tài)繼電器,通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關(guān)的導通和斷開時間。 但熱電偶測量需要溫度補償。系統(tǒng)最終實現(xiàn)的指標如下: (1)按鍵設定溫度,數(shù)碼管顯示實時溫度; (2)溫度控制 范圍為 0~ 100℃,測量誤差為177。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值,然后對偏差值處理獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率,以實現(xiàn)對爐溫的控制 [1]。 46 附錄 4 系統(tǒng)原理圖 14 主函數(shù) 10 顯示電路 2 方案論證 經(jīng)實驗測試,該系統(tǒng)無震蕩現(xiàn)象,響應時間短,穩(wěn)態(tài)誤差小,基本實 現(xiàn)穩(wěn)、準、快的指標。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單,可靠性能高。 4 電源電路 13 軟件設計 25 抗干擾設計 通常,電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。軟件部分主要負責溫度信號采集、溫度值實時顯示驅(qū)動、溫度偏差信號處理。常用的熱電偶從 50℃ +1600℃ 均 可 正常測量 ,某些特殊熱電偶最低可測到 269℃ (如金鐵鎳鉻),最高可達 +2800℃ (如鎢 錸)。 論證分析 經(jīng)過比較,采用 DS18B20 測量水溫,硬件電路簡單,測量精度 高,信號易處理,故溫度變送器選用 DS18B20。采用了模擬的 PWM 變換,和固態(tài)繼電器。從整個系統(tǒng)的設計來看,其中有幾塊集 成芯片和多個電阻、電容等器件,其功率總和應在 2W 左右,所以考慮整個系統(tǒng)的功率裕量,采用 78M05 作為整個系統(tǒng)的供電芯片。F耐壓為 25V,再接入 ,便可減少因為電源波動的影響和濾 去紋波,很好地改善負載的瞬態(tài)響應 [5]。 溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見、最基本的參數(shù)之一。其主要特點是:測溫原則上不愛限制;速度較快,可以對運動 物 體 進行測量。 溫 度 傳 感 器高 速暫 存 器存 儲 和 控 制 邏 輯6 4位R O M和單總線端口8 位 C R C生 成 器低 溫 觸 發(fā) 器 T L供 電 方式 選 擇配 置 寄 存 器高 溫 觸 發(fā) 器 T HD QV D DV D D 圖 22 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 的核心功能部件是它的數(shù)字溫度傳感器,它的分辨率可配置為 112 位,它們對應的溫度值分辨率為 ℃、 ℃、 ℃、 ℃。 P0 口: P0 口為一個 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口,每腳可吸收 8TTL 門電流。并因此作為輸入時, P2 口的管腳被外部拉低,將輸出電流。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口,如下所示: RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) 第 11 頁 共 57 頁 T0(記時器 0外部輸入) T1(記時器 1外部輸入) /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) RST:復位輸入。在 FLASH 編程期間,此引腳也用于施加 12V 編程電源( VPP)。 : 8位 CPU;片內(nèi) 振蕩器和時鐘電路; 32 根 I/O線;外部存貯器尋址范圍 ROM、 RAM64K;2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器; 5 個中斷源,兩個中斷優(yōu)先級;全雙工串行口;布爾處理器。 除上電復位外,有時還需要按鍵手動復位。振蕩器直接應用于電路中,諧振器工作時一般需要提供 電壓來維持工作。 圖 27 按鍵電路 其中 S1 作為 加熱系統(tǒng)的總開關(guān),通過 軟件配合 可實現(xiàn)電爐加熱的通斷 ; S2用來設 第 14 頁 共 57 頁 定期望溫度、上下限報警溫度; S S4 用 來設定所需溫度的具體數(shù)值; S5 用來確定溫度設定,并啟動溫度測量程序。當 CLK 發(fā)生下降沿跳變時, DAT 輸入一位,同時并行輸出口移位輸出 0、 1 驅(qū)動相應數(shù)碼管的管腳。 圖 211 加熱驅(qū)動電路 如圖 211所示 , CHG控制著整個電路的通斷,當 CHG=0 時, PWM 口用來進行 PID 調(diào)節(jié), 改變加熱絲中電流通斷時間。 軟件設計 系統(tǒng)的軟件部分以主程序為入口,在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序,完成對鍵盤的掃描,讀入鍵值,并根據(jù)相應的鍵值進行各類操作。流程圖 如圖 213 所示 。itime。主機通過拉低單線 480微秒以上,產(chǎn)生復位脈沖,然后釋放該線,進入 RX 接收模式。 (4)搜索 ROM:命令字節(jié)為 F0H,主機調(diào)用此命令,可以識別出總線上所有器件的序列號。如果由寄生電源供電,總線主機在發(fā)出此命令之后必須能立即強制上拉至少 10 毫秒 。 流程圖 如圖 216 所示 。可見,積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。 適當?shù)剡x擇微分常數(shù) Td,可以使微分作用達到最優(yōu)。 將 公 式 ( 2- 3) 代入 公式( 2- 2) ,就可以得到離散的 PID 表達式: 10k kkk k jj eeTu K p e e T dT i T ?????? ? ?????? (24) 或 ? ?10*kk j k kju K p e k K i e K d e e ??? ? ? ?? (25) 公 式 ( 2- 4) 或 公 式 ( 2- 5) 表示的控制算法是直接按照 公 式 ( 2- 1) 說給出的PID 控制規(guī)律定義進行運算的,所以它給出了全部控制量的大小,因此稱為全量式或位 第 25 頁 共 57 頁 置式 PID 控制算法。這就給使用者帶來相當?shù)穆闊?,特別是對初學者。若要設定,與確定 P 和 Ti 的方法相同,取不振蕩 時的 30%。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。當 SET鍵第一次被按下時,四位數(shù)碼管的第一位顯示 E,隨后按動 JIA10 鍵和JIA1 鍵,用來設定所需控制的溫度值,并將該溫度值存入變量 T_SET;當 SET 鍵第二次被按下時,四位數(shù)碼管的第一位顯示 H,隨后按動 JIA10 鍵和 JIA1 鍵, 用來設定溫度的上限報警值,并將該溫度值存入變量 T_H;當 SET 鍵第三次被按下時,四位數(shù)碼管的第一位顯示 L,隨后按動 JIA10 鍵和 JIA1 鍵,用來設定溫度的下限報警值,并將該溫度值 第 28 頁 共 57 頁 存入變量 T_L。將 Kp保持不變,增大 Ki, 當 Ki= 時,穩(wěn)態(tài)偏差達到系統(tǒng)設計的要求。而溫度上升到 48℃時上升斜率減小,到相差 ℃時更小。后者為隨機信號,它不是周期信號。 : 干擾 信號多呈毛刺狀,作用時間短,利用這一點,我們在采集某一開關(guān)量信號時,可多次重復采集,直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效。慣性小的輸出設備(如通行口、顯示設備)耐受能力就小一些。當程序彈飛到三字節(jié)指令上時,因它有兩個操作數(shù),繼續(xù)出錯的機會就更大。所謂軟件陷阱,就是一套引導指令,強行將捕獲的程序引向一個指定的地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。在選擇 89C51 單片機的控制器時用了速度相對較慢的單片機, 若采用速度更快的 單時鐘周期 系列 的 單片機,提高采樣頻率,控制精度將會更高 。在鍵盤、 變送器 、顯示電路上都采用了串行方式,從而減小了單片機口線的使用,也使使用口線小的單片機成為可能,減小了成本開支;電源電路雖未采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源,但也經(jīng)濟實惠,性能穩(wěn)定。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條 NOP 指令,以保證正確執(zhí)行。另外,各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和 CPU 安裝在同一電路板上,使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號,對于重要的輸出設備,最好建立檢測通道, CPU 可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。 輸出設備是電 位控制型還是同步鎖存型,對干擾的敏感性相對較大。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足,它與模擬濾波器相比 , 有以下幾個優(yōu)點: 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的,不需要增加硬設備,所以可靠性高,穩(wěn)定性好。經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等 [16]。 第 29 頁 共 57 頁 圖 220 設定值為 50℃的調(diào)試曲線 圖 221 設定值為 95℃的調(diào)試曲線 分析: ( 1) 我們可以看出當?shù)谝淮螠y試時,由于參數(shù)不準,所以出現(xiàn)了誤差較大,達不到系統(tǒng)指標。 表 22 溫度校驗 高精度工業(yè)溫度計測溫度 ℃ (冰水混合物的溫度 ) ℃ ℃ ℃ ℃ 本系統(tǒng)中傳感器測溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 高精度工業(yè)溫度計測溫度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃(沸水的溫度) 本系統(tǒng)中傳感器測溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 從上表看出,該系統(tǒng)的溫度采集模塊的測量誤差非常小,幾乎可以忽略。脈寬受 PID控制器的輸出量控制,流程圖 如圖 219 所示 。根據(jù)工程經(jīng)驗,本系統(tǒng)可忽略微分項,只進行比例與積分運算,最終實現(xiàn)穩(wěn)準快的指標。 (2)確定積分時間常數(shù) Ti 比例增益 P確定后,設定一個較大的積分時間常數(shù) Ti 的初值,然后逐漸減小 Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩,之后在反過來,逐漸加大 Ti,直至系統(tǒng)振蕩消失。實際采樣周期的選擇還要受到多方面因素的影響,不同的系統(tǒng)采樣周期應根據(jù)具體情況來選擇。 數(shù)字式 PID控制算法可以分為位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感,對那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分,或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定 Ti。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用,使控制量向減少偏差的方向變化。 (6)讀電源:命令字節(jié)為 B4H,對于在此命令送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀出 第 21 頁 共 57 頁 數(shù)據(jù)的時間片,器件都 會給出其電源方式的信號:“ 0” =寄身電源供電,“ 1” =外部電源供電 [13]。 (1)寫暫存器:命令字節(jié)為 4EH,此命令寫暫存器中地址 2到地址 4的三個字節(jié)( TH、TL 和配置寄存器)在發(fā)起復位脈沖之前,三個字節(jié)都必須要寫。只能用于總線上單個 DS18B20 的情況,多掛則會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。 while(d ) { 。i115。在系統(tǒng)中其主要的任務是調(diào)用鍵盤管理程序。當出現(xiàn)越限報警時,工作人員應該注意是不是此種情況,此情況可以忽略 [11]。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接觸 點作為切換裝置的具有繼電器特性 的無觸點開關(guān)器件,單相 SSR為四端有源器件,其中兩個輸入控制端,兩個輸出端,輸入輸出間為光隔離,輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后,輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。 表 21 段碼與字型的關(guān)系 段碼 D7 DP D6 G D5 F D4 E D3 D D2 C D2 B D0 A 字形 3FH 0 0 1 1 1 1 1 1 0 06H 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5BH 0 1 0 1 1 0 1 1 2 4FH 0 1 0 0 1 1 1 1 3 66H 0 1 1 0 0 1 1 0 4 6DH 0 1 1 0 1 1 0 1 5 7DH 0 1 1 1 1 1 0 1 6 07H 0 0 0 0 0 1 1 1 7 7
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