【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 微分時(shí)間 DT 決定。 DT 越大，則它抑制 e (t)變化的作用越強(qiáng)， DT 越小，它抗 e (t)變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。在離散控制系統(tǒng)中， PID 控制采用差分方程表示： ? ??????? ????? ??ki dP kekeTTiTiTkKk 0 )1()()(e)(e)(u （ 28） 令 )1()()(e ???? kekek ，ip TTKK ?i ， TTKK dp?d 即有 )()()()(u 0 keKieKkeKk dkiiP ???? ?? （ 29） 其中 iK ， dK 分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。 從式（ 29）可以看出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，為了避免在求取計(jì)算機(jī)輸出值 u (k)時(shí)對(duì) e (k)量進(jìn)行累加計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中常采用增量式 PID 控制算法： 根據(jù)遞推原理可得： ? ? )1()(1)1(u 10 ??????? ??? keKieKkeKk dkiiP （ 210） 用式（ 29）減式（ 210）可得 )}1()({)()}1(e)({)(u i ?????????? kekeKkeKkkeKk dp （ 211） PID 控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 現(xiàn)今在過程控制中接近 90％仍是采用純 PID 調(diào)節(jié)器， PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，充分反映了其良好品質(zhì)。概括地講， PID 控制的優(yōu)點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)： （ 1）原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。 （ 2）控制器適用于多種截然不同的對(duì)象 ，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù) 變化不敏感，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。但從另一方面來講，控制算法的簡(jiǎn)單性和普遍適用性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾方面： （ 1） PID 控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)，閉環(huán)特性從根本上是基于 動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。 （ 2）常規(guī) PID 控制器無法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。 （ 3） PID 控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，對(duì)于大時(shí)滯、大慣性等難控對(duì)象時(shí)，需要通過多個(gè) PID 控制器或與其它控制器組合，才能 得到較好的長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 控制 . 仿真分析 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 圖 24 電烤箱 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 在圖中的 PID 模塊中對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在 Transport Delay 模塊中設(shè)定滯后時(shí)間 30 秒。通過不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 Kp＝ 2，Ki＝ ， Kd＝ 。當(dāng)給定值為 150 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 25 所示： 圖 25 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 可見性能指標(biāo)為 ：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 約為 750s，超調(diào)量σ約為 40％，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 模糊自整定 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用模糊自整定 PID 控制算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 當(dāng)給定值為 150 時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 27 所示： 圖 27 模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 由圖可以看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 約為 300s，超調(diào)量σ％＝ 0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 本章小結(jié) 本章通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了 以電烤箱為對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。最后通過對(duì)二種控制方案進(jìn)行仿真研究和分析，證實(shí)了參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小等較理想的性能指標(biāo)，作為該溫控系統(tǒng)的控制器是可行的。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第三章 溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 電烤箱是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)烤箱門、環(huán)境溫度、加熱材料以及電網(wǎng)等都影響控制過程，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。因此電烤箱的 溫度控制是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)，本章主要討論電烤箱溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 首先介紹了測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方案，然后具體介紹了系統(tǒng)各部分外圍硬件的設(shè)計(jì)。 圖 31 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示，由以下幾部分組成： AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、鍵盤模塊、 LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。 圖 32 系統(tǒng)硬件框圖 工作原理：電烤箱的溫度由熱電偶進(jìn)行采集，經(jīng)信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化處理、 A/D 轉(zhuǎn)換后將所檢測(cè)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn) 換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，通過 SPI 串口送入單片機(jī)，通過單片機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該溫度一方面經(jīng) LED 數(shù)碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤輸入的給定值進(jìn)行比較，計(jì)算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果形成以 PWM 形式輸出的溫度控制信號(hào)，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進(jìn)行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達(dá)到控制烤箱溫度的目的。 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路是溫度測(cè)控系統(tǒng)中的重要部分，承擔(dān)著檢測(cè)電烤箱溫度并將數(shù)長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的任務(wù)在溫度的采集測(cè)量過程中 ，熱電偶因具有體積小、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高、性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、輸出直接是電壓信號(hào)，便于訊號(hào)的遠(yuǎn)傳和記錄，也有利于集中檢測(cè)和控制等優(yōu)點(diǎn)而成為工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長(zhǎng)期測(cè) 900 度以下溫度，其回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢(shì)較大，線性好，價(jià)格便宜，測(cè)量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。經(jīng)綜合考慮 K 型熱電偶的測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、測(cè)溫特性及價(jià)格，本文設(shè)計(jì)的智能溫度測(cè)控系統(tǒng)選擇 K 型熱電偶作為溫度傳感器，實(shí)物如圖 33 所示。 圖 33 K 型熱電偶實(shí)物圖 K 型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的廉價(jià)測(cè)溫組件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但將熱電偶應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，存在以下幾個(gè)方面的問題： （ 1）信號(hào)弱：測(cè)溫時(shí)熱電偶產(chǎn)生的模擬信號(hào)很微弱，故需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。 （ 2）冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為 0 度時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值， 而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度變化而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 （ 3）非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用 時(shí)必須進(jìn)行線性化 處理。 （ 4）數(shù)字化輸出：與單片機(jī)系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口 ,而作為 模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個(gè)要求 ,需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 因而，通常將熱電偶應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，都采用“傳感器 → 濾波器 → 放大器冷端補(bǔ)償 → 線性化處理 → A/D 轉(zhuǎn)換”的模式，該模式具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、抗干擾能力差、精度低、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶在單片機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。 本文設(shè)計(jì)中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢(shì)至溫度的轉(zhuǎn)換。它是一種高精度的集成芯片，體長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 積極小，不需要其它任何的外圍電路，就能獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、 A/D 轉(zhuǎn)換及 SPI 串口數(shù)字化輸出功能，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡(jiǎn)化了熱電偶測(cè)量智能裝置原本復(fù)雜的軟硬件設(shè)計(jì)，大大減少了溫度控制過程中的不穩(wěn)定因素，保證了測(cè)溫的快速、準(zhǔn)確。 MAX6675 的特性和引腳功能 MAX6675 的性能特點(diǎn)如下： (1)對(duì) K 型熱電偶輸出直接 進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換； (2)內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路； (3)簡(jiǎn)單的 SPI 串行口溫度值輸出； (4)0 度～ 度的測(cè)溫范圍，溫度分辨率為 度； (5)內(nèi)含熱電偶斷線檢測(cè)電路； (6)高阻抗差動(dòng)輸入，低功耗； MAX6675 采用 SO8 封裝形式，長(zhǎng) ，寬 5mm，高 ，引腳功能如表 33 所列。 表 33 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正 電源端 5 SCK 串行時(shí)鐘輸入 6 C\S\ 片選端 7 S0 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空腳 MAX6675 與單片機(jī)的通信 MAX6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口，通信過程如下：當(dāng)單片機(jī)使 MAX6675 的 CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)， MAX6675 將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換；當(dāng)單片機(jī)使 MAX6675 的 CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)， MAX6675 將停止任何信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ,同時(shí)在 SCK 時(shí)鐘輸入脈沖的作用下，從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個(gè) SCK 時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。 MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為 16 位，輸出時(shí)高位在前。D15 位是偽標(biāo)志位，始終為 0； D14～ D3 是由高位到低位順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值； D2 用于檢測(cè)熱電偶是否斷線，當(dāng) D2 為 1 時(shí)表明熱電偶斷開； D1 為MAX6675 的標(biāo)識(shí)符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 斷開； D1 為 MAX6675 的標(biāo)識(shí)符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 MAX6675 的串長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 行接口時(shí)序圖如圖 34 所示。 圖 34 MAX6675 SPI 接口時(shí)序圖 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路如圖 35 所示，單片機(jī)的 、 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。當(dāng) AT89S52 的 為低電平且 產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)， MAX6675 的 SO 腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每一個(gè) SCK 的脈沖信號(hào)下降沿 SO 輸出一個(gè)數(shù)據(jù)， 16 個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 DO， D14～ D3 為相應(yīng)的 12 位溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換值的變化范 圍是 0～ 4095，對(duì)應(yīng)表示實(shí)際溫度為 0 度～ 度，分辨率為 度。由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4。當(dāng) 為高電平時(shí)， MAX6675 開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。 圖 35 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 為了正確使用 MAX6675 芯片，在進(jìn)行電路硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： (1)MAX6675 的測(cè)量精度對(duì)電源 耦合噪聲比較敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個(gè) 0． 1μ F 的陶瓷旁路電容，同時(shí)盡量將 MAX6675 布置在遠(yuǎn)離其他 I/O 芯片的地方，以降低電源噪聲的影響。 (2)MAX6675 的 T端必須接地，并使接地點(diǎn)盡可能接近 GND 腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償來校正周圍溫度變化的。只有當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 冷端和芯片溫度相等時(shí)，才可獲得最佳的測(cè)量精度，所以在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件 。同時(shí)，要采用大面積接地技術(shù)來降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，提高溫度測(cè)量精度。 (4)MAX6675 完成溫度的放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換以及 SIP 輸出等一系列過程要一個(gè)最小轉(zhuǎn)換時(shí)間，約 ～ 秒，所以一般應(yīng)使系統(tǒng)的采樣周期大于 250 毫秒。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線作為信號(hào)傳輸線。