【文章內(nèi)容簡介】 析 抗干擾能力 1 為了保護電路的性能電阻全部選用精密電阻電容選用高阻抗優(yōu)質(zhì)電容并且進行篩選配套要求印制電 路板的絕緣質(zhì)量要好布線安排要合理實踐證明布線的安排對電路的性能影響是明顯的 2 采用屏蔽技術隔離技術和接地技術以金屬材料例如鐵制的封閉金屬盒具有電磁屏蔽功能可使屏蔽盒內(nèi)的電路免受外界干擾電場磁場的影響在控制電路中設置了光電隔離電路可以防止強電和弱電共地對單片機的干擾將數(shù)字地模擬地分開最后在電源板一點共地可有效的防止 AD 輸入對單片機產(chǎn)生的共摸干擾 3 電橋電源采用專用橋頭電源變壓器整流后用大電容濾波使橋路有一個很穩(wěn)定的電流 4 微機系統(tǒng)應用中供電系統(tǒng)抗干擾是很重要的我們要在交流電源進入處采用了隔離變壓器并采用電源濾 波技術 5 采用軟件濾波法提高軟件的可靠性①程序高速循環(huán)法②輸出反饋表決和周期刷新③存儲器使用技巧④實時診斷技術⑤數(shù)字濾波技術 3 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析 對于電阻爐溫度控制采用了適用于工業(yè)控制的 8051 單片機組成的控制系統(tǒng)該系統(tǒng)的被測參數(shù)是電阻爐的溫度由單片機 PID 運算得出的控制量去控制晶閘管的導通和關斷以便切斷或接通加熱電源調(diào)整電工功率從而控制電阻爐的溫度穩(wěn)定在設定值上本文的控制算法采用的是普通的 PID 控制算法 31 積分分離 PID 控制算法 PID 控制的原理和特點 為比例積分微分控制簡稱 PID控制 PID控制器結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定性好工作可靠調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型時控制理論的其它技術難以采用時系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定這時應用 PID 控制技術方便即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時最適合用 PID控制技術 PID控制實際中也有 PI 和 PD控制 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量進行控制的比例 P 控制 圖 31 比例的控制框圖 將此圖進行仿真以上比例 P 的設定 數(shù)據(jù)可以在實驗中反復調(diào)試最終當 P 為20 時根據(jù)實驗仿真出來的圖形得出此時系統(tǒng)的溫度設定相對穩(wěn)定 得出的仿真圖如下 圖 32 比例仿真圖 比例控制是一種最簡單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 Steadystate error 積分 I 控制積分I 控制 在積分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系對一個自動控制系統(tǒng)如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) System with Steadystate Error 為了消除穩(wěn)態(tài) 誤差在控制器中必須引入積分項積分項對誤差取決于時間的積分隨著時間的增加積分項會增大這樣即便誤差很小積分項也會隨著時間的增加而加大它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進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)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差 圖 33 PI 控制系統(tǒng)框圖 由以上的控制系統(tǒng)框圖我們可以得出的仿陣圖如下 圖 34 PI 仿真圖 由以上的仿真圖我們可以得出與只有 P 時相比系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號的微分即誤差的變化率成正比關系 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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 delay 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抑制誤差的作用就應該是零這就是說在控制器中僅引入比例項往往是不夠的比例項的作用僅是放大誤差的幅值而目前需要增加的是微分項它能預測誤差變化的趨勢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值從而避免了被控量的嚴重超調(diào)所以對有較大慣性或滯后的被控對象比例微分 PD 控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性 圖 35 PID 系 統(tǒng)控制框圖 以上數(shù)據(jù)的調(diào)試是根據(jù)實驗中仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進行調(diào)試的當最終確定為以上數(shù)據(jù)時我們得出的控制系統(tǒng)的仿真圖如下 圖 36 PID 系統(tǒng)仿真圖 由以上三組仿真出來的圖形我們可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能確實是逐步得到改善但是對于以上的仿真圖我們也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能在最后即使得到了逐步的改善但是最終系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能也不是很好這就要求我們在系統(tǒng)的設置上采用一種更好的控制方案這里選用史密斯預估補償方案 設計的史密斯預估補償控制框圖如圖 29 37 史密斯預估補償控制框圖 由以上的控制框圖我們可以得出以下的仿真圖 圖 38 史密斯預估補償控制仿真圖 由仿真圖我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善因此說經(jīng)過預估補償后閉環(huán)控制方程中已消去了也就是消除了時滯對控制品質(zhì)的不利的影響對于隨動控制系統(tǒng)控制過程僅在時間上推遲了時間 t 這樣系統(tǒng)的過度過程狀態(tài)與品質(zhì)和無時滯的完全相同對于定值控制系統(tǒng)控制作用要比擾動滯后一個 t 時間所以控制效果不及歲動控制系統(tǒng)那樣明顯 史密斯預估補償器的應用近年才日益普遍主要原因是物理實現(xiàn)問題但隨著電子計算機應用特別是 DCS 系統(tǒng)中事實跟尾方便這種補償器不僅可用于單輸入單輸出系統(tǒng)也可用于多輸入多輸出系統(tǒng) 史 密斯預估補償器對大時滯過程盡可能提供很好的控制質(zhì)量但遺憾的是其控制質(zhì)量對模型誤差十分敏感特別是時滯時間和增益誤差所以對非線形嚴重或時變增益的過程這種對非線性史密斯預估補償器是不太適用的 [7] 32 占空比函數(shù) 設定 U k 變化量是從 10 到 10 占空比α為 0 到 100 則得到變化量 k 的值 31 32 則α與 U k 的關系式為 33 34 35 設電源導通周期為 20ms 則在一個周期內(nèi)加熱的時間 Ton α T 在加熱的過程中當溫度達到設置的溫度時根據(jù)占空比我們可以求算出在一個周期內(nèi)加熱的時間這樣避免了能源的浪費更重要的是避免了加熱中溫度不能達到設定值 由以上的公式我們可以研究出一個這樣的結(jié)論在 10 到 10 之間 表 31 由 Uk 和占空比得出加熱時間 u k 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 a 1 095 09 085 08 075 07 065 06 055 05 Ton 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 045 04 035 03 025 02 015 01 005 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 由以上的表格我們可以看出 U k 與加熱時間是成反比 U k 越高則加熱的時間越短則在實際電加熱爐控制系統(tǒng)中我們可以根據(jù)實際情況設置的數(shù)據(jù)運算出占空比然后根據(jù)占空比計算出加熱時間 結(jié)論 本文所設計的電加熱爐是通過調(diào)節(jié)輸入電壓從而來控 制輸出溫度的電壓是控制好電加熱爐溫度的重要參數(shù)控制好這一參數(shù)能較好地保證溫度的穩(wěn)定這里以電加熱爐為被控對象通過對電加熱爐對象的特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案建立了電加熱爐數(shù)學模型同時應用 PID 控制算法來實現(xiàn)電加熱爐的溫度控制 而對于系統(tǒng)采用積分分離 PID 智能控制可以達到理想的控制效果控制方案合理穩(wěn)定精度高超調(diào)量小結(jié)構(gòu)簡單調(diào)試方便抗干擾性強能夠?qū)崟r顯示當前溫度便于監(jiān)控 當然對于普通的 PID 算法也存在著局限性一般來說所有的工業(yè)控制對象都具有時滯的對象衡量過程對象時滯的大小通常采用過程時滯 t 和過程等 效時間常數(shù) T之比 tT它們之比越大越不容易控制當 tT大于 0305時可稱為具有大時滯的系統(tǒng)對于大時滯系統(tǒng)能夠采用 PID[1] 科學出版社 20202029 頁 [2] 電子工業(yè)出版社 202040285 頁 [3] 何克忠 出版社 19982850 頁 [4] 范立南謝子殿 單片機原理及應用教程北京大學出版社 20202050 頁 [5] 沈德金 MCS51 系列單片機接口電路與應用程序?qū)嵗本┖娇?66頁 [6] 200210 頁 [7] 何衍慶俞金壽集散控制系統(tǒng)原理及應用化學工業(yè)出版社 110 頁 [8] 丁元杰單片機原理及應用機械工業(yè)出版社 19993 [9] 陳伯時電力拖 動自動控制系統(tǒng)機械工業(yè)出版社 50 頁 [10] 周荷琴吳秀清微型計算機原理與接口技術合肥中國科學技術大學出版社 2020207239 頁 [11] 張 明 王 詩 基于 預 測偏 差 的 模型 算 法 控制 [J] 清 華大 學 學 報199019951050 頁 [12] Liming Wu Tian you Chai Decoupling of a class of nonlinear discrete systems using neural works[J] Proc Of 1995 American Control Conference Seattle USA 1995 6 42754279 [13] LATHIbp1974 Signal Systems and Controls New York Text Educational Publishers [14] ThalerGJ1973 Design of Feedback Systems California Naval Postgraduate School Monterrey 附錄 1 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)的軟件由主程序中斷服務程序和子程序 等組成主程序的任務是對系統(tǒng)進行初始化實現(xiàn)參數(shù)輸入并控制電加熱爐的正常運行中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)定時采樣和輸出控制子程序主要有采樣子程序數(shù)字濾波子程序控制算法子程序數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序顯示子程序等在采樣子程序中包括對 AD啟動讀后結(jié)果及把 AD結(jié)果轉(zhuǎn)換為實際溫度直由于熱電偶本身的非線性及模擬輸入通道存在的非線性需要將 AD值與溫度值之間的對應關系存入 ROM 中為了縮小測溫范圍將整個溫度范圍劃分幾個區(qū)當被測溫度屬于某個區(qū)域則在相應的區(qū)域里去查尋便找到新對應的溫度值 程序清單 Dat8279 EQU 8000H 8279 數(shù)據(jù)命令口地址 Com8279 EQU 8001H 8279 狀態(tài)命令口地址 DISBUF EQU 20H 顯示緩沖區(qū)起始地址 EOC BIT P32 TLC2543 結(jié)束信號接在 P32 ALARMU BIT 08H 溫度超過上限報警標志位 ALARMD BIT 09H 溫度超過下限報警標志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP INT1 MAIN CRL P10 清報警聲音 CLR P11 清紅燈 SETB P12 綠燈亮 SETB P14 電爐加熱 MOV SP 60H 設置堆指針 CLR A ST DPTR Com8279 送 8279 命令狀態(tài)口地址 MOV A 0D1H 總清 顯示 RAM 命令字 MOVX DPTR A 總清除命令字寫入 8279 LP MOVX A DPTR 讀 8279 內(nèi)容狀態(tài)字 JB ACC7 LP1 等待清除顯示 RAM MOV A 10H 設置 8279 方式命令字鍵盤顯示 MOVX DPTRA 命令字送入 8279 MOV A 34H 對 CLK20 分頻為 100K MOVX DPTR A 分頻命令字寫入 8279 MOV DPTR BISBH 顯示提示符 BH LCALL DIS MOV 20H 80H 20H 為鍵盤數(shù)據(jù)緩沖單元首址設 D7 1 SETB IT1 INT1 下降沿觸發(fā) SETB EA 開放 CPU SETB EX1