【正文】 舍入，保留一位小數(shù)即可。也就說，本系統(tǒng)的溫度精確到了 度。整數(shù)部分的值經(jīng)過移位， 存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，用于后面數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行 PID 運算；同時將其轉(zhuǎn)換為 BCD 碼，用于顯示。具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序請查閱附錄 2。 PID輸出轉(zhuǎn)換程序 本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)方式，即在正弦波過零的時刻通過令單片機的 I/O口低電平使電路導(dǎo)通，這樣通過控制 I/O口低電平有效的時間實現(xiàn)對正弦波導(dǎo)通周波數(shù)的控制，進(jìn)而對加熱功率進(jìn)行控制。簡單的說，就是假設(shè)最大功率加熱時導(dǎo)通 100個周期的正弦波，那導(dǎo)通 50個周期正弦波時加熱功率就變?yōu)?50%，以此類推。 PID運算的輸出是一個 0255的值，這里我們假設(shè)每個單位輸出對應(yīng) 半個周期正弦波的導(dǎo)通，即 10對應(yīng) 5個周期正弦波，那么 255就對應(yīng) ，而每個正弦波的周期為 20ms。通過這樣的關(guān)系我們就能建立起 PID的輸出 u(k)與導(dǎo)通時間的關(guān)系： )(*255 )()(20**255 )( skumskut d ?? () 而導(dǎo)通時間 td 與定時器 T1的初值關(guān)系為 ： 50**)( 102 616 ??? Xt d () 通過以上兩式可編寫將 PID輸出 u(k)轉(zhuǎn)換為定時器 T1定時初值的子程序 U(K)_TO_T1。具體程序見附錄 2。 30 4 系統(tǒng)的仿真 要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，就需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而電熱鍋爐是 一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，其精確的數(shù)學(xué)模型比較難測得，因此在仿真的時候選取一個近似模型作為電熱鍋爐的數(shù)學(xué)模型。一般情況下，電熱鍋爐的近似數(shù)學(xué)模型可以描述為一個一階的、無振蕩、純時間滯后的慣性環(huán)節(jié)。 在查閱相關(guān)資料后，這里我們?nèi)‰姛徨仩t的近似數(shù)學(xué)模型 [12]為 : e sss 30113 005)(G ??? 我們將用這個模型進(jìn)行仿真。 PID參數(shù)整定方法 對本系統(tǒng)的仿真，就是對 PID控制的三個參數(shù)（即 Kp、 Ki、 Kd）進(jìn)行整定，從而達(dá)到改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。首先我們要了解三個參數(shù)對系統(tǒng)的影響：增加比例系數(shù) Kp一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞；增大積分時間 Ti有利于減小超調(diào)，減小振蕩，是系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)的靜差的消除將隨之減慢；增大微分時間 Td亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，單系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。 整定 PID參數(shù)的有很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和簡易工程整定法。理論計算整定法要求已知過程的數(shù)學(xué)模型，且計算繁瑣、工作量大、可靠性不高，因此在現(xiàn)場使用中，尚需反復(fù)修正。簡易工程整定法不需要事先過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定 [13]。 PID參數(shù)的簡易工程整定法有很多，如擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法等。這些方法計算簡便，易于掌握。雖然是一種近似方法，所得的整定參數(shù)不一定為最佳，但卻相當(dāng)實用。在工程上得到廣泛應(yīng)用。這里將介紹擴充臨界比例度法，其整定的步驟為： 1）選擇一個足夠短 的采樣周期，具體說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時候的十分之一以下。 2）用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，去掉積分作用和微分作用，只保留比31 例作用。然后逐漸減小比例度δ（δ =1/Kp），直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度δ k及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 Tk。 3）選擇控制度，并根據(jù)所選的控制度查表 ，求得 T、 Kp、 Ti、 Td。所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。 表 按擴充臨界比例度法整定參數(shù) 控制度 控制規(guī)律 T Kp Ti Td PI k PID k PI k PID k PI k PID k 0． 20Tk PI k PID k 系統(tǒng)仿真結(jié)果 采用 MATLAB中的 SIMLINK對本系統(tǒng) 進(jìn)行仿真。首先在 SIMLINK中搭建系統(tǒng)的 模型圖 ，如圖 。 圖 SimLink中搭建的系統(tǒng) 模型圖 32 假設(shè)當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度的溫差為 50℃。 經(jīng)過調(diào)試，確定 PID參數(shù)為： Kp=，Ki=， Kd=1。此時的波形圖如圖 。從圖中可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度 較快，靜差幾乎為零，且沒有超調(diào)量 。 圖 系統(tǒng)的仿真波形圖 33 5 結(jié)論 基于 AT89S51 單片機的電熱鍋爐 水 位和 溫度控制系統(tǒng) ，在硬件部分有以下的特點： （ 1） 對于液位，利用電接點傳感器將 采集到的開關(guān) 信號送入單片機中，在單片機中進(jìn)行比較操作，并控制電磁閥的通斷。 （ 2） 對于溫度利用溫度傳感 DS18B20，將采樣到的溫度信號 直接 輸入到單片機中，再由 單片機 根據(jù)測量溫度與設(shè)定溫度的差值和 PID 算法生成控制信號，控制電爐的通電與斷電。 （ 3） 在顯示電路上采用了串行方式，從而減小了單片機口線的使用 。 （ 4） 電源電路雖未采用流行的開關(guān)穩(wěn)壓電源，但也經(jīng)濟實惠，性能穩(wěn)定。 這樣的設(shè)計使系統(tǒng)不需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，使 整個系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)緊湊、所用芯片少。 在軟件 部分 ， 有以下一些特點： （ 1） 溫度控制部分采用了經(jīng)典的 PID 算法，方法簡單，且控制效果良好； （ 2） 同時采用過零觸發(fā)直接使用 PID 的控制輸出去控制加熱的時間，免去了一級 D/A 轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡單易行 ； （ 3） 采用定時器中斷對采樣時間進(jìn)行控制，使每一次的采樣時間基本相同 。 （ 4） 在程序的編寫過程中特別注意了人機的交互性及各種功能的實現(xiàn)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解。 本論文是參閱相關(guān)資料并且分析 、綜合了相關(guān)方案利弊的基礎(chǔ)上設(shè)計和完成的。由于時間和作者的水平有限， 沒 有選擇控制效果更好的模糊 PID 控制 ， 對延遲環(huán)節(jié)沒采用施密斯預(yù)估補償處理， 也沒有在程序上更加的完善系統(tǒng)的設(shè)計，沒能 進(jìn)一步提高控制精度。 論文中 存在的這些 不足之處，敬請評審老師批評指正。 34 致謝 本文是在導(dǎo)師魯照權(quán)老師悉心 指導(dǎo)下完成的。他淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，鞭策我不斷努力探索。 他敏銳的洞察力和孜孜不倦的教誨使我受益終身，無論是現(xiàn)在還是將來，都將激勵我奮發(fā)向上。值此論文完成之際，謹(jǐn)向魯老師致以衷心感謝和崇高敬意。 我還要特別感謝我的父母，多年來正是他們無私的奉獻(xiàn)與無條件的支持才使得我得以完成學(xué)業(yè)。 目 前除了學(xué)習(xí)成績尚可外無以為報，希望以后的學(xué)習(xí)、工作和生活能使父母寬慰。 感謝和我一起生活四年的室友，是你們讓我們的寢室充滿快樂與溫馨， “ 君子和而不同 ” ，我們正是如此！愿我們以后的人生都可以充實、多彩與快樂！ 最后，對所有關(guān)心、理解、支持、幫助我的人們致以誠摯的謝意 35 參考文獻(xiàn) [1] 孫新國，閆曉，許為疆，惠世恩 .電加熱常壓熱水鍋爐及其設(shè)計 [J].工業(yè)鍋爐，2021， （ 61）： 6. 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[13] 邵裕森，巴筱云主編 .過程控制系統(tǒng)及儀表 [M].北京：機械工業(yè)出版社，. 36 附錄 1：系統(tǒng)硬件原理圖 123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSizeBDate:15Jun2010Sheet of File:D:\my design\畢業(yè)設(shè)計.ddbDrawn By:A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U7 74HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U8 74HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U1074HC164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U9 74HC16412345678161514131211109RESPACK1200*812345678161514131211109RESPACK2200*812345678161514131211109RESPACK3200*812345678161514131211109RESPACK4200*8Y1 12MC2 20pC120P+5VR234.7K+5V2+1~3~4U5 SSRR19150接220V交流電+5VRL RES1U6 4N25R20300D11DIODE+5V+24V接12V直流電D9 D10LS1SPEAKERR15500R16500R173.1K+5V+5VabfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdppower9DS1DPY_7SEG_DPabfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdppower9DS2DPY_7SEG_DPabfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdppower9DS3DPY_7SEG_DPabfcgdeD PY1234567abcdefg8