【導(dǎo)讀】是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。一種能耗相對(duì)來說比較低的溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用微控制器對(duì)電阻爐加熱過。使用熱電偶作為溫度傳感器把熱信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過放。大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，再輸入到微控制器。系統(tǒng)由微控制器、溫度傳感器、鍵盤及顯示電路、晶閘管控制電路等組。成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、數(shù)。據(jù)采集子程序、控制算法子程序等。

　　

【正文】 119P 2 .1/ A 922P 2 .2/ A 1 023P 2 .3/ A 1 124P 2 .4/ A 1 225P 2 .5/ A 1 326P 2 .6/ A 1 427P 2 .7/ A 1 528P S E N29A L E30E A / V P P31P 0 .7/ A D 732P 0 .6/ A D 633P 0 .5/ A D 534P 0 .4/ A D 435P 0 .3/ A D 336P 0 .2/ A D 237P 0 .1/ A D 138P 0 .0/ A D 039V C C40P 1 .1/ T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0/ R X D10P 3 .1/ T X D11P 3 .2/ I N T 012P 3 .3/ I N T 113P 3 .4/ T 014P 3 .5/ T 115P 3 .6/ W R16P 3 .7/ R D17V S S20P 2 .0/ A 821A T 89 S 5 1abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpV C CR7R8 4. 7kR 11 4. 7kR 10 4. 7kR9 4. 7kQ1N P NQ2N P NQ3N P NQ4N P N30 0 * 8S P 1S P E A K E RQ5P N PV C CR 131KP 1 .6電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 硬件抗干擾措施 硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來 抑制干擾。其總的原則是 :抑制或消除干擾源，切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的藕合通道，降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。對(duì)于本系統(tǒng)，硬件抗干擾設(shè)計(jì)具體措施有 :隔離、接地 等常用方法。 (l)隔離主要用于過程通道的隔離。光電 耦 合器能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，提高信噪比。在輸入、輸出通道采用光電藕合器將控制系統(tǒng)與外圍接口隔離 ； (2)接地接地應(yīng)遵循的基本原則是 :數(shù)字地、模擬地、屏蔽地應(yīng)該合理接地，不能混用。要盡可能地使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流 耦合。合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)，并根據(jù)地電流的大小 和頻率設(shè)計(jì)相應(yīng)寬度的印刷電路和接地方式。模擬電源和數(shù)字電源各自并接 的陶瓷電容 (去 耦 電容 )。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 23 第 3 章 控制 算法 PID 控制 PID是生產(chǎn)過程中最普遍采用的控制算法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。由于控制理論本身面臨著一些改進(jìn)和提高。盡管大量新的控制算法不斷涌現(xiàn)，但常規(guī)的 PID 及改進(jìn)的 PID 控制算法仍廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 PID 控制的發(fā)展 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的 PID 控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 1915～ 1940 年期間。盡管自 1940 年以來， 許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但由于 PID 控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定， P、 I、D控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時(shí)期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的 PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。因此， PID 控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有 90%以上的工業(yè)控制器采用 PID 控制器。 PID 控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。 PID 控制理論 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(O)與實(shí)際輸出值只 O構(gòu)成控制偏差 e(t):[13] e(t)=r(t)y(t) (31) 將偏差 e(t)的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此稱為 PID 控制。 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 31所示。 其控制規(guī)律為 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu DtIP 01 (32) 圖 31 PID控制系 統(tǒng)原理框圖 或者寫成傳遞函數(shù)的形式為 ? ? ???????? ??? sTsTKsG DIP11 (33) 式中 PK — 比例系數(shù) ； IT — 積分時(shí)間常數(shù)； DT — 微分時(shí)間常數(shù)。 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (1)比例環(huán)節(jié) 即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用 ，以減少偏差 ； （ 2)積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng) ； (3)微分環(huán)節(jié) 能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并且能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID 控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此， (32)式中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化 處理。現(xiàn)令 T 為采樣周期，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以累加求和近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，做如下的近似變換 : [1] 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 25 kTt? (34) ? ? ? ? ? ?????? ??kjkjt jetjTeTte000 （ 35） ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?T kekeT TkekTedt tde 11 ?????? （ 36） 其中， T為采樣周期， e(k)為系統(tǒng)第 k 次采樣時(shí)刻的偏差值， e(kl)為系統(tǒng)第 (kl)次采樣時(shí)刻的偏差值， k 為采樣序號(hào)， k=0， 1， 2，?。將上面的 (35)式和 (36)式代入 (32)式，則可以得到離散的 PID 表達(dá)式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??????? ????? ?? 10 kekeTTjeTTkeKku kj DIp （ 37） 如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬 PID 算式，因而使被控過 與連續(xù)控制過程十分接近。通常把 (37)式稱為 PID的位置式控制算法。 若在 (37)式中，令 : IPI TTKK ? （積分系數(shù)） TTKK DPD ? （微分系數(shù)） 則 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??? ?????kj DIP kekeKjeKkeKku 0 1 （ 38） (38)式即為離散化的位置式 PID 控制算法的編程表達(dá)式。可以看出，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算 u(k)，不僅涉及 e(k)和 e(kl)，且須將 歷次 e(j)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。 下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡單的遞推算式。 為此，對(duì) (38)式作如下的變動(dòng) : 考慮到第 (kl)次采樣時(shí)有 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??????? ???????? ??kj DIPkekeTTjeTTkeKku 0 2111 （ 39） 使 (38)式兩邊對(duì)應(yīng)減去 （ 39)式，得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??????????? 21211 kekekeTTkeTTkekeKkuku DIP 整理后得 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??????????? 21211 kekekeTTkeTTkekeKkuku DIP = ? ? ? ? ? ? ? ?212111 ????????? ?????????? ???? keTTKkeTTKkeTTTTKku DPDPDIP ? ? ? ? ? ? ? ?211 210 ?????? keakeakeaku （ 310） 其中 0a = ???????? ?? TTTTK DIP 1， 1a = ?????? ? TTK DP 21， 2a = TTK DP (310)式就是 PID位置式得遞推形式。 如果令 ? ? ? ? ? ?1???? kukuku ，則 ? ? ? ? ? ? ? ?21 210 ?????? keakeakeaku （ 311） 式中的 0a ， 1a ， 2a 同（ 310）式中一樣。 因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中 0a ， 1a ， 2a 都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時(shí)只須獲得 e(k)、 e(kl)、 e(k2)三個(gè)有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故 (311)式通常被稱為 PID 控制的增量式算式。 增量式中只須計(jì)算增 量，算式 中不需要 過去偏差的 累加 值 ，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時(shí)，對(duì)控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果 ；而且 只輸出控制增量，所以誤動(dòng)作影響小，而且必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行有利 。 本系統(tǒng)的控制算法即采用增量式的 PID 控制算法。 電阻爐數(shù)學(xué)模型的確定 數(shù)學(xué)模型通常是描述物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性和輸入與輸出關(guān)系的一個(gè)或一組方程式，它表示了一個(gè)過程的輸入變量 (通常是控制作用和擾動(dòng)作用 )、狀態(tài)變量與輸出變量 (通常是被控變量 )之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 27 電阻爐特性分析 在生產(chǎn)過程中，由于熱傳導(dǎo)問題的復(fù)雜性，一般的加熱設(shè)備都具有非線性、大滯后和不對(duì)稱性等特點(diǎn)。滯后又包括純滯后和容積滯后，電加熱設(shè)備的滯后主要是容積滯后。加熱體的結(jié)構(gòu)、容量的大小、測(cè)溫元件及其安裝的位置等都影響著滯后的大小。它不是一個(gè)單一的問題，而是一個(gè)系統(tǒng)性的問題。 工業(yè)中絕大多數(shù)的加熱設(shè)備都是升溫時(shí)用強(qiáng)迫加熱，而溫度下降過程靠自然冷卻。因此，溫度特性是不對(duì)稱的 :升溫時(shí)響應(yīng)快，而降溫時(shí)響應(yīng)慢。在過程控制中，通常情況下把電加熱設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性看成是一個(gè)線性系統(tǒng)，用一個(gè) 或兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來表示 seTsK ???1 或者 ? ?? ? sesTsT K ???? 1121 這種近似處理在許多情況下是可行的。本 設(shè)計(jì) 就采用前者一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)作為 電阻爐 的數(shù)學(xué)模型的形式 ，即 seTsKG ???? 1 （ 312） 其中 K是增益， T為時(shí)間常數(shù)， ? 公為滯后時(shí)間。 電阻爐數(shù)學(xué)模型的辨識(shí) 一般為了求取模型參數(shù)，先給系統(tǒng)輸入一 個(gè)激勵(lì)信號(hào)，得到系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)，再來求得模型的參數(shù)。 階躍響應(yīng)法是比較常用的經(jīng)典辨識(shí)方法之一，它是通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)得系 統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，再由該曲線辨識(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 通過手動(dòng)操作使過程工作在測(cè)試所需的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間后，快速改變過程輸入量，并用記錄儀或 數(shù)據(jù) 采集 系統(tǒng)同時(shí)記錄過程輸入和輸出的變化曲線。經(jīng)過一段時(shí)間后，過程進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。 在確定了模型結(jié)構(gòu)之后，可用測(cè)試法建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 在確定了傳遞函數(shù)的形式后，確定其中的各個(gè)參數(shù)。對(duì)于一階慣性加純滯后模型，可以用兩點(diǎn)法來確定起參數(shù)。兩點(diǎn)法，就 是利用階躍響應(yīng) ??ty 上兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算 T和? ，增益 K采用公式進(jìn)行計(jì)算 [10]。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 ? ?