【文章內(nèi)容簡介】 .......27 增量式PID控制算法程序流程圖..................................................................................................29 通斷時(shí)間比為10%的響應(yīng)曲線........................................................................................................32 通斷時(shí)間比為30%的響應(yīng)曲線........................................................................................................32 PID控制仿真的Simulink框圖.......................................................................................................33 階躍信號(hào)曲線..............................................................................................................................................34 階躍、誤差響應(yīng)曲線..............................................................................................................................34河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論第一章 緒論 概述 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。因此,溫度的測(cè)量與控制在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無法精確計(jì)算的，因此溫度量的變化往往受到不可預(yù)測(cè)的外界環(huán)境擾動(dòng)的影響。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達(dá)到這樣一個(gè)絕熱的目的，例如可以讓目標(biāo)系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個(gè)與目標(biāo)系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標(biāo)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱隔離。 另外，在大部分實(shí)際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過控制的目標(biāo)溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過沖，將難以很快把溫度降下來。這是因?yàn)楹芏鄳?yīng)用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒有冷卻的裝置。同樣道理，對(duì)于只有冷卻沒有加熱環(huán)節(jié)的應(yīng)用中，實(shí)際溫度低于控制的目標(biāo)溫度，對(duì)控制效果的影響也是很大的。 鑒于上述這些特點(diǎn)，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。下面就簡要的討論一下溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 近年來，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。 溫度測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。 在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是:簡單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度。但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過對(duì)輻射能量的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是:不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類:動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等。恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某允許值。本文所討論的基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種: 定值開關(guān)控溫法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置(或冷卻裝置)進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動(dòng)制冷裝置。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 PID線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調(diào)節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器, 其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)(比例值、積分值、微分值)。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 為了克服PID線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度控制儀表。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本論文所討論的基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)是對(duì)被控對(duì)象溫度進(jìn)行恒值溫度控制，以溫控箱為例。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏600度之間， 0C。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括:系統(tǒng)的性能要求及特點(diǎn)以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) ①系統(tǒng)性能要求: 1)可以人為方便地通過控制面板或PC機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。 2)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過控制面板上的數(shù)碼管顯示出來。 3)具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)。 4)模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡單，維修方便。 5)系統(tǒng)可靠性高，不易出故障。 6)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。 ②系統(tǒng)特點(diǎn): 鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗干擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有如下特點(diǎn): 控制主板采用AT89C52作為核心芯片。作為與MCS51系列兼容的單片機(jī)，無論在運(yùn)算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)溫控箱測(cè)溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，而Pt100鉑電阻在大溫度范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測(cè)量的過程中必須對(duì)鉑電阻溫度傳感器的非線性進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測(cè)量的精確度。本文采用最小二乘法擬合的方法對(duì)鉑電阻的非線性進(jìn)行優(yōu)化。為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。 整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)擴(kuò)展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴(kuò)充和修改。 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路(Analog Circuit)和單片機(jī)(Microcontroller)兩種形式。 模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央處理單元CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(Random Access Memory) 、只讀存儲(chǔ)器ROM(Read only Memory)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及I/O(Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是:功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。 另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng)SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種SOC芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。SOC芯片通常含有一個(gè)微處理器核(CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器(RAM和ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊,硬件結(jié)構(gòu)簡化。 從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，SOC是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上SOC的價(jià)格還比較昂貴，并且SOC的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。 目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。AT89C52單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的與MCS51系列兼容的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)。本系統(tǒng)選擇AT89C52為核心器件組成的控制系統(tǒng)。此外，在選取外圍擴(kuò)展芯片時(shí)，本著節(jié)約成本的原則，盡量選取典型的、易于擴(kuò)展和替換的芯片及器件。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前，MCS 51單片機(jī)的開發(fā)主要用到兩種語言:匯編語言和C語言。與匯編語言相比，C語言具有以下的特點(diǎn): ①具有結(jié)構(gòu)化控制語句 結(jié)構(gòu)化控制語言的顯著特點(diǎn)是代碼和數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂?、維護(hù)及調(diào)試。 ②適用范圍大和可移植性好 同其他高級(jí)語言一樣，C語言不依賴于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常見的MCU都有C編譯器。加之集成開發(fā)環(huán)境KEIL編譯生成的代碼效率很高(僅比匯編語言生成的代碼效率低10%15 %).所以，本系統(tǒng)的軟件選擇使用C語言開發(fā)。 由于整個(gè)系統(tǒng)軟件比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，故要求整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內(nèi)數(shù)據(jù)關(guān)系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關(guān)系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結(jié)構(gòu)。 溫度控制算法方面，在對(duì)溫控箱數(shù)學(xué)模型辨識(shí)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合本溫控系統(tǒng)的要求采用了經(jīng)典的PID控制算法，這主要是由于PID控制相對(duì)來說算法簡單、魯棒性好和可靠性高。此外