【導(dǎo)讀】機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，能產(chǎn)生良好的控制效果?；赑ID算法的水溫控制系統(tǒng)采用目。溫度，單片機(jī)將溫度偏差進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出PWM波。PWM波作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（固態(tài)繼。電器）的輸入從而來(lái)決定電爐工作電壓的大小,最終實(shí)現(xiàn)水溫的控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)無(wú)震蕩現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小，基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的指標(biāo)。第1章系統(tǒng)方案·························································2

　　

【正文】 幾百毫秒的延時(shí)，所以數(shù)碼管顯示的溫度并非就是當(dāng)前的溫度，為了保證所測(cè)溫度值的準(zhǔn)確性，故需對(duì)其校驗(yàn)。用工 業(yè)上的高精度的數(shù)字溫度計(jì)和本系統(tǒng)的溫度計(jì)分別測(cè)十次溫度，得到如 表 22。 表 22 溫度校驗(yàn) 高精度工業(yè)溫度計(jì)測(cè)溫度 ℃ (冰水混合物的溫度 ) ℃ ℃ ℃ ℃ 本系統(tǒng)中傳感器測(cè)溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 高精度工業(yè)溫度計(jì)測(cè)溫度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃（沸水的溫度） 本系統(tǒng)中傳感器測(cè)溫 度 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 從上表看出，該系統(tǒng)的溫度采集模塊的測(cè)量誤差非常小，幾乎可以忽略。但是在校對(duì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題：該系統(tǒng)測(cè)量精度符合要求，但是響應(yīng)時(shí)間比較慢，這樣就對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的采樣周期提出了較高的要求。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 根據(jù)香農(nóng)采樣定律，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的 PWM 波周期定為 100 毫秒，采樣周期定為 500 毫秒 。 當(dāng)系統(tǒng)的期望設(shè) 定溫度為 95℃ 時(shí)， 取 Kp=3， Ki= 時(shí)，得到如圖 325中的第一次實(shí)驗(yàn)曲線，其中響應(yīng)時(shí)間為 18分鐘，且穩(wěn)態(tài)偏差較大；適當(dāng)增大 Kp，保持 Ki不變，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增快，穩(wěn)態(tài)偏差仍較大。將 Kp保持不變，增大 Ki， 當(dāng) Ki= 時(shí)，穩(wěn)態(tài)偏差達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。取 Kp=4， Ki=，設(shè)定溫度為 50℃ 時(shí)，得到如圖 221所示的曲線。 t1=8min,t2=10min，穩(wěn)態(tài)偏差 在177。 ℃ 。 *******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 29 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 220 設(shè)定值為 50℃的調(diào)試曲線 圖 221 設(shè)定值為 95℃的調(diào)試曲線 分析： （ 1） 我們可以看出當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)試時(shí)，由于參數(shù)不準(zhǔn)，所以出現(xiàn)了誤差較大，達(dá)不到系統(tǒng)指標(biāo)。而經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的控制效果。 （ 2） 當(dāng)參數(shù)調(diào)好后，重新設(shè)置輸入溫度?？梢钥闯鲈?t1 以前系統(tǒng)全速加熱，但由于自然散熱，曲線并不是直線。而溫度上升到 48℃時(shí)上升斜率減小，到相差 ℃時(shí)更小。 綜上所述，在控制精度上完全達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。 最終曲線 第一次實(shí)驗(yàn) 曲線 理想 曲線 實(shí)測(cè) 曲線 理想 曲線 溫度 /℃ 溫度 /℃ 時(shí)間 時(shí)間 *******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 30 頁(yè) 共 61 頁(yè) 抗干擾設(shè)計(jì) 提高水溫控制系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進(jìn)一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來(lái)克服某些干擾。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件 抗干擾技術(shù)，與硬件干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線，無(wú)疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開(kāi)關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等 [16]。 ： 一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，均含有種種噪音和干擾，它們來(lái)自被測(cè)量本身、傳感器、外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪音和干擾。對(duì)于這類信號(hào)，采用積分時(shí)間等于 20ms 的整數(shù)倍的雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，可有效的消除其影響。后者為隨機(jī)信號(hào)，它不是周期信號(hào)。對(duì)于隨機(jī)干擾，我們可以用數(shù)字濾波 方法予以削弱或?yàn)V除。所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比 ， 有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 數(shù)字濾波可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。 數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)字濾波在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 ： 干擾 信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一點(diǎn)，我們?cè)诓杉骋婚_(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效。若多次采樣后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)，由于開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要是來(lái)自各類開(kāi) 關(guān) 型狀態(tài)傳感器，如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、電氣觸點(diǎn)等，對(duì)這些信號(hào)的采集不能用多次平均的方法，必須絕對(duì)一致才行。如果開(kāi)關(guān)量信號(hào)超過(guò) 8個(gè)，可按 8 個(gè)一組進(jìn)行分組處理，也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)，按類似方法處理 [17]。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號(hào)之間接入一段延時(shí)，效果會(huì)好一些，就能對(duì)抗較 寬的干擾。 輸出設(shè)備是電 位控制型還是同步鎖存型，對(duì)干擾的敏感性相對(duì)較大。前者有良好的抗“毛刺” 干擾能力，后者不耐干擾，當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時(shí)，它就會(huì)盲目鎖存當(dāng)前的*******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 31 頁(yè) 共 61 頁(yè) 數(shù)據(jù)，也不管此時(shí)數(shù)據(jù)是否有效。輸出設(shè)備和慣性（響應(yīng)速度）與干擾的 耐受能力也有很大關(guān)系。慣性大的輸出設(shè)備（如各類電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)）對(duì)“毛刺” 干擾有一定的耐受能力。慣性小的輸出設(shè)備（如通行口、顯示設(shè)備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復(fù) 周期盡可能短些。外設(shè)設(shè)備接受到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后，還來(lái)不及做 出有效的反 應(yīng)，一個(gè)正確的信息又來(lái)了，就可及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和 CPU 安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號(hào)，對(duì)于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測(cè)通道， CPU 可以檢測(cè)通道來(lái)確定輸出結(jié)果的正確性。 ： 當(dāng) CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來(lái)執(zhí)行，引起程序混亂。當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時(shí)，便自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時(shí)，因它有兩個(gè)操作數(shù)，繼續(xù)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)就更大。因此，我們應(yīng)多 采用單字節(jié)指令（ NOP)或?qū)巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)，這便是指令冗余。指令冗余無(wú)疑會(huì)降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下， CPU 還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這種方法還是被廣泛采用。 在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令之前插入兩條 NOP 指令，以 確保跑 飛的程序迅速納入正確軌道。在某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條 NOP 指令，以保證正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)可以減少程序跑 飛的次數(shù)，使其很快進(jìn)入程序軌道，但這并不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無(wú)事了，解決這個(gè)問(wèn)題必須采用軟件容錯(cuò)技 術(shù)。 ： 指令冗余讓跑飛的程序安定下來(lái)是有條件的。首先，跑 飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一套引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標(biāo)號(hào)記為 ERR 的話，軟件陷阱即為一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，為了加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令，因此真正的軟件陷阱由 3條指令構(gòu)成： NOP NOP ERR 軟件陷阱安排在以下三 種地方： *******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 32 頁(yè) 共 61 頁(yè) (1)未使用的中斷向量區(qū) (2)未使用的大片 ROM空間 (3)表格 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM 容量不成問(wèn)題的條件下，還是多多益善。*******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 33 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第 3 章 總 結(jié) 基于 89C51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為 89C51 單片機(jī)的控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和 89C51 單片機(jī)的算法生成控制信號(hào)， 控制電爐的通電與斷電。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。在鍵盤(pán)、 變送器 、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開(kāi)支；電源電路雖未采用流行的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，但也經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性能穩(wěn)定。 在軟件上，基于 89C51 單片機(jī)的算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的 89C51 單片機(jī)的算法，從某個(gè)角度上說(shuō)這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、控制精度更高等優(yōu)點(diǎn)，而控制量的輸出上采用了模擬的 PWM 變換，免去了一級(jí) D/A 轉(zhuǎn)換器，減小了成本，且簡(jiǎn)單易行。在程序的編寫(xiě)過(guò)程中特 別注意了人機(jī)的交互性及各種功能的實(shí)現(xiàn)，如鍵盤(pán)控制管理程序和 89C51 單片機(jī)的運(yùn)算程序都是經(jīng)過(guò)深思熟慮而精心設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的操作界面更容易讓人理解，同時(shí)使用鍵盤(pán)輸入控制溫度，雖然一定程度上增加了程序的復(fù)雜性，但同時(shí)也使系統(tǒng)的溫度更容易設(shè)定。 當(dāng)然 ,系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇 89C51 單片機(jī)的控制器時(shí)用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)， 若采用速度更快的 單時(shí)鐘周期 系列 的 單片機(jī)，提高采樣頻率，控制精度將會(huì)更高 。*******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 34 頁(yè) 共 61 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1]王福瑞 .單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全 [M].北京 ： 中國(guó)電力出版社， 2020. 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A, vol. 139, pp. 141–152, July 1992. *******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 36 頁(yè) 共 61 頁(yè) 致 謝 歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過(guò)自己不斷的搜索努力以及任老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。在這段時(shí)間里，任 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工 作作風(fēng)令我十分欽佩，她 的指導(dǎo)使我受益非淺。同時(shí)本系 515 實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放也為我的設(shè)計(jì)提供了實(shí)習(xí)場(chǎng)地。在此對(duì) 任艷玲 老師表示深深的感謝。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè) 月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。*******師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 37 頁(yè) 共 61 頁(yè) 附錄 1 英 文資料 Introductions to temperature control and PID controllers Process control system Automatic process control is concerned with maintaining process variables temperatures pressures flows positions, and the like at some desired operation value. Processes are dynamic in nature. Changes are always occurring, and if actions are not taken, the important process variablesthose related to safety, product quality, and production rateswill not achieve design conditions. In order to fix ideas, let us consider a heat exchanger in which a process stream is heated by condensing steam. The purpose of this unit is to heat the process fluid from some inlet temperature, Ti(t), up to a certain desired outlet temperature, T(t). As mentioned, the heating medium is condensing steam. The energy gained by the process fluid is equal to the heat released by the steam, provided there are no heat losses to surroundings, iii that is, the heat exchanger and piping are well insulated. In this process there are many vari