【導(dǎo)讀】原理，詳細說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。在對各種加熱爐、熱處理爐、反。該控制系統(tǒng)以ms-51單片機為控制核心，采用增量。式PID控制算法，實現(xiàn)對溫度的智能控制。同時，具有超調(diào)量小、溫度上升快、穩(wěn)定。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只。一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。本設(shè)計使用單片機作為核心進行控制。靜態(tài)控制精度為℃。測量溫度范圍為0℃-1000℃，測量誤差為1℃。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀(jì)20年代，電阻爐已在工。650℃以下的為低溫爐；650～1000℃為中溫爐;1000℃以上為高溫爐。爐內(nèi)主要以輻射方式加熱。通過風(fēng)機強迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動，以加強對流傳熱。金屬電熱元件材料有鎳鉻合金、鉻鋁合金、爐溫均勻、便于控制、加熱質(zhì)量好、無煙塵、無噪聲和環(huán)保等優(yōu)點。

　　

【正文】 27 單片機與 8255的連接示意圖 第五章 軟件設(shè)計 系統(tǒng)總體流程圖 在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測定 和 顯示 、 鍵盤輸入、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時測溫。流程圖如圖 4所示。 28 軟件設(shè)計流程圖 PID調(diào)節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 PID控制的原理和特點 工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、 微分控制，簡稱開始 系統(tǒng)初始化設(shè)置 鍵盤輸入及目標(biāo)爐溫設(shè)置 爐溫測量與顯示 停止加熱 全速加熱 PID 算法控制爐溫加熱 結(jié)束 爐溫測定并顯示 等于目標(biāo)溫度并穩(wěn)定時間到？ 爐溫等于上限溫度？ 爐溫等于下限溫度？ 是 否 是 是 否 否 29 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(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(shù)之一。當(dāng)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(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)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(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)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(shù)。 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。 （ 1） 比例（ P）控制 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(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 （ 2）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(guān)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。 （ 3）微分（ D）控制 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(guān)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(yīng)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(yù)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。 比例控制及其調(diào)節(jié)過程 在人工調(diào)節(jié)的實踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就 有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點 比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母 P來表示。如果用一個數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成： eKu p??? （ 31） 式中 u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； e? —— 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； 30 pK —— 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。 放大倍數(shù) PK 是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實際上是一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例調(diào)節(jié)作用雖然及時、作用強，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時間常數(shù)又不太小的對象。 比例積分調(diào)節(jié) 對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。 因為單純的積 分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱 PI 調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： ? ????????? )1(1 e dtTePuuu IIPPI （ 32） 這里，表示 PI 調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個：比例度 P和積分時間 IT 。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時、克服偏差有力的特點，又具有克服余差的性能。 由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基 礎(chǔ)上，有加上一個積分調(diào)節(jié)（細調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時間太小，積分作用就太強，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個純比例調(diào)節(jié)器。 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實際中，有經(jīng)驗的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大?。ū壤饔茫?，同時又根據(jù)偏差變化速度的大小進行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時，就估計到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關(guān)閉 ）調(diào)節(jié)閥，以克服這個預(yù)計的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 什么是微分調(diào)節(jié)？ 微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達式表示為： dtedTuD )(??? （ 33） 式中： u? —— 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； 31 DT —— 微分時間； dted )(?—— 偏差信號變化的速度。 從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時間 DT 越長，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分作用的輸出總是零，這是微分作用的特點。 由于實際微分器的比例度不能改變，固定為 100%，微分作用也只在參數(shù)變化時才出現(xiàn)，所以實際微分器也不能單獨使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 比例積分微分調(diào)節(jié)又稱 PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示： ])(1[1dt edTe dtTePu DI ??????? ? （ 34） PID 調(diào)節(jié)中，有三個調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度 P、積分時間 IT 、微分時間 DT 。適當(dāng)選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 由分析可知， PID 三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好， PI 調(diào)節(jié)第二， PD 調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比 PI 調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨使用。 各部分子程序設(shè)計 1 按鍵狀態(tài)的可靠輸入 由于按鍵是利用機械觸點的合、短作用，因此，鍵的按下與抬起都會有 10~20ms的抖動毛刺存在。為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，必須去除抖動影響，這也是按鍵處理的重要環(huán)節(jié)。去抖動的方法有硬件、軟件兩種。本次設(shè)計采用軟件去抖動方法，即在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個延時程序后在確認鍵電平是否保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正鍵按下狀態(tài)。雖然此法耗費機時，但對實時性要求不是很高的爐溫控制系統(tǒng)來講不失為一種很好的辦法。延時程序如下： T100M:PUSH 00H PUSH 01H MOV 00H,0 MOV 01H,60 32 T101M:DJNZ 00H,$ DJNZ 01H,T101M POP 01H POP 00H RET 結(jié)語 ： 該系統(tǒng)采用了 K型熱電偶信號處理集成芯片 MAX6675，改變了傳統(tǒng)測溫電路電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問題；采用時鐘芯片可以對時間準(zhǔn)確計時；采用先進 PID控制算法控制 、精度高、超調(diào)小；整個設(shè)計電路簡單、設(shè)定功能多、操作簡單。經(jīng)反復(fù)實驗證明：其工作穩(wěn)定性強、精度高、實用性強、控制效果好、應(yīng)用前景廣。 本文作者創(chuàng)新點：改變了傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用 “ 傳感器－濾波器－放大器－冷端補償 －線性化處理－Ａ /D 轉(zhuǎn)換 ” 模式，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675來完成“ 熱電偶電勢－溫度 ” 的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路，接線簡單，精度高；采用時鐘芯片便于精確計時，減小單片機的負擔(dān)；采用先進 PID 控制算法控制，控制效果好，超調(diào)小。 參考文獻： [1] 陳汝全，林水生，實用微機與單片機控制技術(shù)，電子科技大學(xué)出版社 [2] 中國計算機用戶 TP 系列微機協(xié)會， TP 系列微型機應(yīng)用實例，地震出版社 [3] 劉廣揚，劉德溥，自動檢測和過程控制，冶金工業(yè)出版社 [4] 中國電子學(xué)會《電子學(xué)報》編輯部，全國 微型計算機應(yīng)用成果選集，中國計量出版社 [5] 謝克明，劉文定，謝剛，自動控制理論，兵器工業(yè)出版社 [6] 賈秀美，數(shù)字電路實踐技術(shù)，中國科學(xué)技術(shù)出版社 [7] 沈長生，常用電子原器件使用一讀通，人民郵電出版社 [8] 潘新民，王燕芳，微型計算機控制技術(shù)，高等教育出版社 [9] 單片機技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，謝克明，彭新光，兵器工業(yè)出版社 33 致謝 本課題在選題及研究過程中得到管老師的悉心指導(dǎo)。管老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。管老師一絲不 茍的作風(fēng)，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以我終生受益無窮之道。對管老師的感激之情是無法用言語表達的。 感謝謝學(xué)院各位老師對我的教育培養(yǎng)。他們細心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。老師為我提供了良好的學(xué)習(xí)和研究條件，謹向各位同仁表示誠摯的敬意和謝忱。 四年的大學(xué)生活 ,讓我對關(guān)于自動化方面的理論知識有了一定的了解和認識，但實踐出真知 ,經(jīng)過在工廠實習(xí)和這次畢業(yè)設(shè)計的過程，我深深地認識到唯有把理論與實踐相結(jié)合，才能更好地為社會服務(wù)。為期將近半個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計，我 不但上網(wǎng)查閱了一些自動化技術(shù)的應(yīng)用知識，并對畢業(yè)論文所需的資料進行了仔細地了解和收集，為現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計做了充分的準(zhǔn)備 ,也培養(yǎng)了我獨立思考和動手的能力，同時也讓我了解到了自己的不足，我會繼續(xù)努力，完善自我，為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做貢獻。 半個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計已圓滿結(jié)束，在這幾個月中，我經(jīng)歷了很多事，也接觸了很多人，不管怎么說，我在此對每位曾經(jīng)幫助過我或指導(dǎo)過我的人表示衷心地感謝。 此致 敬禮！