【導(dǎo)讀】原理，詳細(xì)說(shuō)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(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反。該控制系統(tǒng)以ms-51單片機(jī)為控制核心，采用增量。式PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。同時(shí)，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(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只。一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，開(kāi)展創(chuàng)新性研究，使我國(guó)儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。靜態(tài)控制精度為℃。測(cè)量溫度范圍為0℃-1000℃，測(cè)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(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，以加強(qiáng)對(duì)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(wú)煙塵、無(wú)噪聲和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

　　

【正文】 27 單片機(jī)與 8255的連接示意圖 第五章 軟件設(shè)計(jì) 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(cè)定 和 顯示 、 鍵盤(pán)輸入、控制算法等都由子程序來(lái)完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫。流程圖如圖 4所示。 28 軟件設(shè)計(jì)流程圖 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 PID控制的原理和特點(diǎn) 工程實(shí)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(jiǎn)稱開(kāi)始 系統(tǒng)初始化設(shè)置 鍵盤(pán)輸入及目標(biāo)爐溫設(shè)置 爐溫測(cè)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(cè)定并顯示 等于目標(biāo)溫度并穩(wěn)定時(shí)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(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)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(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 （ 1） 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)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(xiàng) ” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差 取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程 在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門(mén)的開(kāi)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(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門(mén)開(kāi)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(diǎn) 比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母 P來(lái)表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來(lái)表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫(xiě)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(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。 比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，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(shí)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(shí)間常數(shù)又不太小的對(duì)象。 比例積分調(diào)節(jié) 對(duì)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?yàn)閱渭兊姆e 分作用使過(guò)程緩慢，并帶來(lái)一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)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(jiǎn)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(gè)：比例度 P和積分時(shí)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(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，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(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)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(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過(guò)程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大， PI 調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)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(lái)克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度大?。ū壤饔茫?，同時(shí)又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過(guò)量地打開(kāi)（關(guān)閉 ）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，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(duì)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(dá)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(shí)間； dted )(?—— 偏差信號(hào)變化的速度。 從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間 DT 越長(zhǎng)，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對(duì)于一個(gè)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(diǎn)。 由于實(shí)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(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)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(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度 P、積分時(shí)間 IT 、微分時(shí)間 DT 。適當(dāng)選取這三個(gè)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(dòng)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(dú)使用。 各部分子程序設(shè)計(jì) 1 按鍵狀態(tài)的可靠輸入 由于按鍵是利用機(jī)械觸點(diǎn)的合、短作用，因此，鍵的按下與抬起都會(huì)有 10~20ms的抖動(dòng)毛刺存在。為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，必須去除抖動(dòng)影響，這也是按鍵處理的重要環(huán)節(jié)。去抖動(dòng)的方法有硬件、軟件兩種。本次設(shè)計(jì)采用軟件去抖動(dòng)方法，即在檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序后在確認(rèn)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(rèn)為真正鍵按下?tīng)顟B(tài)。雖然此法耗費(fèi)機(jī)時(shí)，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高的爐溫控制系統(tǒng)來(lái)講不失為一種很好的辦法。延時(shí)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(yǔ) ： 該系統(tǒng)采用了 K型熱電偶信號(hào)處理集成芯片 MAX6675，改變了傳統(tǒng)測(cè)溫電路電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問(wèn)題；采用時(shí)鐘芯片可以對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)時(shí)；采用先進(jìn) PID控制算法控制 、精度高、超調(diào)??；整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、設(shè)定功能多、操作簡(jiǎn)單。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明：其工作穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、實(shí)用性強(qiáng)、控制效果好、應(yīng)用前景廣。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：改變了傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用 “ 傳感器－濾波器－放大器－冷端補(bǔ)償 －線性化處理－Ａ /D 轉(zhuǎn)換 ” 模式，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675來(lái)完成“ 熱電偶電勢(shì)－溫度 ” 的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路，接線簡(jiǎn)單，精度高；采用時(shí)鐘芯片便于精確計(jì)時(shí)，減小單片機(jī)的負(fù)擔(dān)；采用先進(jìn) PID 控制算法控制，控制效果好，超調(diào)小。 參考文獻(xiàn)： [1] 陳汝全，林水生，實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù)，電子科技大學(xué)出版社 [2] 中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶 TP 系列微機(jī)協(xié)會(huì)， TP 系列微型機(jī)應(yīng)用實(shí)例，地震出版社 [3] 劉廣揚(yáng)，劉德溥，自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制，冶金工業(yè)出版社 [4] 中國(guó)電子學(xué)會(huì)《電子學(xué)報(bào)》編輯部，全國(guó) 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用成果選集，中國(guó)計(jì)量出版社 [5] 謝克明，劉文定，謝剛，自動(dòng)控制理論，兵器工業(yè)出版社 [6] 賈秀美，數(shù)字電路實(shí)踐技術(shù)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社 [7] 沈長(zhǎng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)，高等教育出版社 [9] 單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(guò)程中得到管老師的悉心指導(dǎo)。管老師多次詢問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。管老師一絲不 茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，給以我終生受益無(wú)窮之道。對(duì)管老師的感激之情是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。 感謝謝學(xué)院各位老師對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)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(jǐn)向各位同仁表示誠(chéng)摯的敬意和謝忱。 四年的大學(xué)生活 ,讓我對(duì)關(guān)于自動(dòng)化方面的理論知識(shí)有了一定的了解和認(rèn)識(shí)，但實(shí)踐出真知 ,經(jīng)過(guò)在工廠實(shí)習(xí)和這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程，我深深地認(rèn)識(shí)到唯有把理論與實(shí)踐相結(jié)合，才能更好地為社會(huì)服務(wù)。為期將近半個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我 不但上網(wǎng)查閱了一些自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用知識(shí)，并對(duì)畢業(yè)論文所需的資料進(jìn)行了仔細(xì)地了解和收集，為現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備 ,也培養(yǎng)了我獨(dú)立思考和動(dòng)手的能力，同時(shí)也讓我了解到了自己的不足，我會(huì)繼續(xù)努力，完善自我，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)做貢獻(xiàn)。 半個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)已圓滿結(jié)束，在這幾個(gè)月中，我經(jīng)歷了很多事，也接觸了很多人，不管怎么說(shuō)，我在此對(duì)每位曾經(jīng)幫助過(guò)我或指導(dǎo)過(guò)我的人表示衷心地感謝。 此致 敬禮！