【文章內容簡介】 長春理工大學畢業(yè)設計 7 微分時間 DT 決定。 DT 越大，則它抑制 e (t)變化的作用越強， DT 越小，它抗 e (t)變化的作用越弱。它對系統的穩(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中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進行實時采樣，故它是離散時間控制系統。在離散控制系統中， 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 分別為積分系數和微分系數。 從式（ 29）可以看出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，為了避免在求取計算機輸出值 u (k)時對 e (k)量進行累加計算，在實際應用中常采用增量式 PID 控制算法： 根據遞推原理可得： ? ? )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 現今在過程控制中接近 90％仍是采用純 PID 調節(jié)器， PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，充分反映了其良好品質。概括地講， PID 控制的優(yōu)點主要有以下兩點： （ 1）原理簡單、實現方便，是一種能夠滿足大多數實際需要的基本控制器。 （ 2）控制器適用于多種截然不同的對象 ，其控制品質對被控對象的結構或參數 變化不敏感，算法在結構上具有較強的魯棒性。但從另一方面來講，控制算法的簡單性和普遍適用性也反映了 PID 控制器在控制品質上的局限性，主要體現在以下幾方面： （ 1） PID 控制只能確定閉環(huán)系統的少數主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于 動態(tài)特性的低階近似假定的。 （ 2）常規(guī) PID 控制器無法同時滿足跟蹤設定值和抑制擾動的不同性能要求。 （ 3） PID 控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統，對于大時滯、大慣性等難控對象時，需要通過多個 PID 控制器或與其它控制器組合，才能 得到較好的長春理工大學畢業(yè)設計 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 控制系統仿真模型 在圖中的 PID 模塊中對三個參數進行設定，在 Transport Delay 模塊中設定滯后時間 30 秒。通過不斷調整 PID 三參數，得到最佳仿真曲線，其中 Kp＝ 2，Ki＝ ， Kd＝ 。當給定值為 150 時，仿真結果如圖 25 所示： 圖 25 PID 控制系統響應曲線 可見性能指標為 ：調節(jié)時間 ts 約為 750s，超調量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： 長春理工大學畢業(yè)設計 9 圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統仿真模型 當給定值為 150 時，系統響應曲線如圖 27 所示： 圖 27 模糊自整定 PID 控制系統響應曲線 由圖可以看出性能指標：調節(jié)時間 ts 約為 300s，超調量σ％＝ 0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 本章小結 本章通過實驗數據，建立了 以電烤箱為對象的數學模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。最后通過對二種控制方案進行仿真研究和分析，證實了參數模糊自整定 PID 控制策略可實現調節(jié)時間短，超調量小，穩(wěn)態(tài)誤差小等較理想的性能指標，作為該溫控系統的控制器是可行的。 長春理工大學畢業(yè)設計 10 第三章 溫度測控系統的硬件設計 電烤箱是一種具有純滯后的大慣性系統，開關烤箱門、環(huán)境溫度、加熱材料以及電網等都影響控制過程，基于精確數學模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。因此電烤箱的 溫度控制是一項關鍵性的技術，本章主要討論電烤箱溫度測控系統的硬件設計。 首先介紹了測控系統的總體設計原則和設計方案，然后具體介紹了系統各部分外圍硬件的設計。 圖 31 系統總體設計框圖 溫度測控系統的硬件組成 系統硬件框圖如圖 32 所示，由以下幾部分組成： AT89S52 單片機及其最小系統模塊、溫度檢測模塊、鍵盤模塊、 LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。 圖 32 系統硬件框圖 工作原理：電烤箱的溫度由熱電偶進行采集，經信號放大、冷端補償、線性化處理、 A/D 轉換后將所檢測的溫度信號轉 換成對應的數字量，通過 SPI 串口送入單片機，通過單片機軟件對數據進行處理，該溫度一方面經 LED 數碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤輸入的給定值進行比較，計算其偏差，通過參數模糊自整定 PID 控制算法進行運算，運算結果形成以 PWM 形式輸出的溫度控制信號，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達到控制烤箱溫度的目的。 溫度檢測電路的設計 溫度檢測電路是溫度測控系統中的重要部分，承擔著檢測電烤箱溫度并將數長春理工大學畢業(yè)設計 11 據傳輸到單片機的任務在溫度的采集測量過程中 ，熱電偶因具有體積小、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高、性能穩(wěn)定、動態(tài)響應好、輸出直接是電壓信號，便于訊號的遠傳和記錄，也有利于集中檢測和控制等優(yōu)點而成為工程上應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中長期測 900 度以下溫度，其回復性較好，產生熱電勢較大，線性好，價格便宜，測量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。經綜合考慮 K 型熱電偶的測溫范圍、測溫精度、測溫特性及價格，本文設計的智能溫度測控系統選擇 K 型熱電偶作為溫度傳感器，實物如圖 33 所示。 圖 33 K 型熱電偶實物圖 K 型熱電偶是工業(yè)生產中被廣泛應用的廉價測溫組件，具有結構簡單、使用方便、測量溫度范圍寬，測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，但將熱電偶應用于單片機系統時，存在以下幾個方面的問題： （ 1）信號弱：測溫時熱電偶產生的模擬信號很微弱，故需要對其進行放大處理。 （ 2）冷端補償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0 度時與測量端的電勢差值， 而在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度變化而變化的，故需進行冷端補償。 （ 3）非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關系為非線性關系，因此在應用 時必須進行線性化 處理。 （ 4）數字化輸出：與單片機系統接口要采用數字化輸出及數字化接口 ,而作為 模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求 ,需要進行 A/D 轉換。 因而，通常將熱電偶應用于單片機系統時，都采用“傳感器 → 濾波器 → 放大器冷端補償 → 線性化處理 → A/D 轉換”的模式，該模式具有轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、抗干擾能力差、精度低、調試困難等缺點。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在單片機領域的應用設計。 本文設計中選用了由 Maxim 公司生產的 K 型熱電偶專用模數轉換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢至溫度的轉換。它是一種高精度的集成芯片，體長春理工大學畢業(yè)設計 12 積極小，不需要其它任何的外圍電路，就能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、 A/D 轉換及 SPI 串口數字化輸出功能，可以直接與單片機接口，大大簡化了熱電偶測量智能裝置原本復雜的軟硬件設計，大大減少了溫度控制過程中的不穩(wěn)定因素，保證了測溫的快速、準確。 MAX6675 的特性和引腳功能 MAX6675 的性能特點如下： (1)對 K 型熱電偶輸出直接 進行數字轉換； (2)內部集成有冷端補償電路； (3)簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； (4)0 度～ 度的測溫范圍，溫度分辨率為 度； (5)內含熱電偶斷線檢測電路； (6)高阻抗差動輸入，低功耗； MAX6675 采用 SO8 封裝形式，長 ，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 型熱電偶負極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正 電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 C\S\ 片選端 7 S0 串行數據輸出 8 NC 空腳 MAX6675 與單片機的通信 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設總線與單片機接口，通信過程如下：當單片機使 MAX6675 的 CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r， MAX6675 將進行新的轉換；當單片機使 MAX6675 的 CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r， MAX6675 將停止任何信號的轉換 ,同時在 SCK 時鐘輸入脈沖的作用下，從 SO 端輸出串行轉換數據，一個完整的數據輸出過程需要 16 個 SCK 時鐘周期，數據的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。 MAX6675 的輸出數據為 16 位，輸出時高位在前。D15 位是偽標志位，始終為 0； D14～ D3 是由高位到低位順序排列的轉換溫度值； D2 用于檢測熱電偶是否斷線，當 D2 為 1 時表明熱電偶斷開； D1 為MAX6675 的標識符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 斷開； D1 為 MAX6675 的標識符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 MAX6675 的串長春理工大學畢業(yè)設計 13 行接口時序圖如圖 34 所示。 圖 34 MAX6675 SPI 接口時序圖 MAX6675 與單片機的接口電路 MAX6675 與單片機的接口電路如圖 35 所示，單片機的 、 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。當 AT89S52 的 為低電平且 產生時鐘脈沖時， MAX6675 的 SO 腳輸出轉換數據，每一個 SCK 的脈沖信號下降沿 SO 輸出一個數據， 16 個脈沖信號完成一串完整的數據輸出，先輸出高電位 D15，最后輸出的是低電位 DO， D14～ D3 為相應的 12 位溫度轉換數據，轉換值的變化范 圍是 0～ 4095，對應表示實際溫度為 0 度～ 度，分辨率為 度。由于 MAX6675 內部經過了激光修正，因此，其轉換結果對應溫度值具有較好的線性關系。溫度值與數字量的對應關系為：溫度值 =轉換后的數字量 /4095=轉換后的數字量 /4。當 為高電平時， MAX6675 開始進行新的溫度轉換。 圖 35 MAX6675 與單片機的接口電路 為了正確使用 MAX6675 芯片，在進行電路硬件設計時，還應該注意以下幾點： (1)MAX6675 的測量精度對電源 耦合噪聲比較敏感，設計時需要在 MAX6675 的電源引腳與地線之間接一個 0． 1μ F 的陶瓷旁路電容，同時盡量將 MAX6675 布置在遠離其他 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，并使接地點盡可能接近 GND 腳，否則讀出數據為無規(guī)律的亂碼。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補償來校正周圍溫度變化的。只有當熱電偶的長春理工大學畢業(yè)設計 14 冷端和芯片溫度相等時，才可獲得最佳的測量精度，所以在進行 PCB 設計時，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件 。同時，要采用大面積接地技術來降低芯片自熱引起的測量誤差，提高溫度測量精度。 (4)MAX6675 完成溫度的放大、濾波、 A/D 轉換以及 SIP 輸出等一系列過程要一個最小轉換時間，約 ～ 秒，所以一般應使系統的采樣周期大于 250 毫秒。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。