【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制。應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(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。高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)，使溫度控制大為簡(jiǎn)便。

　　

【正文】 COMS 等集成電路或加簡(jiǎn)單的輔助電路就可直接驅(qū)動(dòng)。因此，適宜于在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件。固態(tài)繼電器是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷功率型電子開(kāi)關(guān)。當(dāng)施加觸發(fā)信號(hào)后其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)。它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制回路（輸入端）與負(fù)載回路（輸出端）之間的隔離和信號(hào)耦合，而沒(méi)有任何可動(dòng)部件或觸頭，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于電磁繼電器一樣的功能，故稱為固態(tài)繼電器。與普通電磁式繼電器相比，它具有體積 小、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)和機(jī)械噪聲、開(kāi)關(guān)無(wú)電弧、耐沖擊、抗有害氣體腐蝕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因，在微機(jī)測(cè)控等領(lǐng)域中，已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開(kāi)關(guān)作為開(kāi)關(guān)量輸出控制元件。本次設(shè)計(jì)選用直流型 固態(tài)繼電器 （ AC— SSR）。 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 21 第三章 數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器 數(shù)字 PID 控制算法 隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，特別是面向控制的單片微機(jī)的運(yùn)用， PID控制多由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于計(jì)算機(jī)的控制是一種采樣控制，他只能根據(jù)采樣的偏差值來(lái)計(jì)算控制量 ，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，要想在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn) PID調(diào)節(jié)規(guī)律，需將連續(xù)系統(tǒng)的微分方程式化為離散形式。采用單片微機(jī)作為控制器的自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖如圖 3— 1 所示 。 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 22 圖 3— 1 自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖 微機(jī)系統(tǒng)通過(guò) A/D 電路測(cè)定過(guò)程變量 y，并計(jì)算誤差 e 和控制變量 u，通過(guò)D/A 輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過(guò)程變量 y穩(wěn)定在設(shè)定的點(diǎn)上。 模擬 PID 控制算法公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近，現(xiàn)采用梯形積分來(lái)逼近積分，采用向后差分方法來(lái)逼近微分，在采樣時(shí)刻 t=iT（ T 為采樣周期）時(shí)，式（ 3— 1）所 表示的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律可以用下式近似計(jì)算： ) ] }1()([])(2 )()0([)({)( 11 ??????? ??? kekeTTiekeeTTkeKku dkiiP （ 3— 2） 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量時(shí)，由式（ 3— 2）可導(dǎo)出提供增量的 PID 算法。 )33()()()(() ] }2()1(2)([]2)1()([)1()({)1()()(2?????????????????????keDkIekePkekekeTTkekeTTkekeKkukukudIp 上式稱為增量 PID 控制算法，而式（ 3— 2）稱為位置式 PID 控制算 法。 式（ 3— 3）可以進(jìn)一步改寫(xiě)為 )2()1()()( 210 ?????? kegkegkegku （ 3— 4） 其中： TTdKgTiTTTdKgTTdTiTKgppp????????????210)221()21( 可見(jiàn)增量式 PID 算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前的三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。 增量式 PID 算法與位置式相比，有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）位置式算法每次輸出與整修過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要乃至過(guò)去誤差的累加值 ，容易產(chǎn)生圈套的積累計(jì)算誤差。而增量式 PID 只需計(jì)算增量，計(jì)算電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 23 誤差或精度不足時(shí)對(duì)控制量的計(jì)算方法影響較小。 （ 2）控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，位置算法必須首選 將計(jì)算機(jī)的輸出值定為原始閥門(mén)開(kāi)度 u0，都能保證無(wú)沖擊切換。如果采用增量算法，則公式中不出現(xiàn)u0 項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)托運(yùn)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。因此在實(shí)際控制中，增量式算法 比位置式應(yīng)用更為廣泛。 數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 我們討論的數(shù)字 PID 控制的采樣周期，相對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)說(shuō)是很短的，可以按模擬 PID 調(diào)節(jié)器的方法來(lái)選擇調(diào)節(jié)參數(shù)。在控制系統(tǒng)中產(chǎn)生誤差的擾動(dòng)有以下幾種類型： ? 設(shè)定值的變化 ? 供給源的變化 ? 要求的變化； ? 環(huán)境的變化； ? 測(cè)量元件性能的變化。 在選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)之前，應(yīng)首選確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系 統(tǒng)受到振動(dòng)后仍保持穩(wěn)定，不致于卷入破壞性的振蕩，并將誤差保持在最小值。對(duì)于有自平衡性的 對(duì)象，則往往應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。 選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，必須根據(jù)工程問(wèn)題的具體要求來(lái)考慮。在實(shí)時(shí)過(guò)程控制中，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能迅速地跟蹤，超調(diào)量小。在不同干擾下，系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，控制變量不宜過(guò)大，系統(tǒng)保持平穩(wěn)。同時(shí)滿足上述要求是困難的，但必須滿足主要的方面，兼顧其它方面。參數(shù)的選擇通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定或者通過(guò)湊試或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)公式來(lái)確定。 、湊試法確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù) 湊試法是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行 觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（例如階躍響應(yīng)），然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定 PID 的調(diào)節(jié)參數(shù)。 增大比例系數(shù) KP一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差。但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)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 Ti有利于減小超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)靜差的消除將減慢。 增大 Td 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)于擾信號(hào)的抑制能力減弱。 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、后積分、再微分的整定步驟。 首先整定比例部分。將比例 系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到的反應(yīng)快、超調(diào) 小的響應(yīng)曲線 。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差小到允許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 24 此確定。 如果僅調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)，首先置積分常數(shù) Ti為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小，然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好的動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直至得到滿意的效果和相應(yīng)的參數(shù)。 若使用比 例積分器，能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍達(dá)不到要求，這里可加入微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，先置微分常數(shù) Td，同時(shí)相應(yīng)地改變 Kk和 Ti,逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和參數(shù)。 應(yīng)該指出，在整定中參數(shù)的選定不是唯一的，事實(shí)上，比例、積分和微分三部分作用是相互影響的。從應(yīng)用角度看，只要被控過(guò)程主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么就選定了比例、積分、微分參數(shù)。表 3— 1 給出了一些常見(jiàn)的調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇范圍。 表 3— 1 常見(jiàn)被調(diào)節(jié)的 PID 參數(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍 被調(diào)量 特點(diǎn) （ min） (min) 流量 時(shí)間常數(shù)小，并有噪聲，故 較小，不用微分 1~ ~1 溫度 對(duì)象有較大滯后，常用微分 ~5 3~10 ~3 壓力 對(duì)象的滯后不大，不用微分 ~ ~3 液位 允許有靜差時(shí)不用積分與微分 ~5 、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù) 用湊試大確定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，需要進(jìn)行叫多的模擬或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為了減少湊試次數(shù)，我們也可以利用已取得的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)一定的要求實(shí)現(xiàn)做一些實(shí)驗(yàn)，得到若干基準(zhǔn)參數(shù)，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)出 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，這就是 實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法。例如簡(jiǎn)化擴(kuò)充臨界比例法，首先將調(diào)節(jié)器選為純比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)。改變比例系數(shù)，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸出的 響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)（穩(wěn)定邊緣）。這時(shí)的比例系數(shù)記為 KR， 臨界震蕩的周期記為 tr 。根據(jù)齊格勒一尼柯?tīng)査梗?Ziegel—Nichols）提供的經(jīng)驗(yàn)公式就可以由這兩個(gè)基數(shù)參數(shù)求得不同類型調(diào)節(jié)器的參數(shù)見(jiàn)表 32。這樣整個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù) KR 。改變 KR ，觀察控制效果，直到滿意為止。 表 3— 2 臨界比例法確定的模擬調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器類型 KP Tr TD p 調(diào)節(jié)器 PI 調(diào)節(jié)器 Tr PID 調(diào)節(jié)器 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 25 這種臨界比例法給出了模擬調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。對(duì)于數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器，所提供的參數(shù)原則上也是適用的，但應(yīng)根據(jù)控制過(guò)程連續(xù)性的程度，作適當(dāng)?shù)男薷?，這可由湊試法進(jìn)一步完成。 、采樣周期的選擇 數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器還有一個(gè)十分重要的參數(shù)，就是采樣周期。 采樣周期大小的選擇是離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行首先必須考慮的問(wèn)題，它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)品質(zhì)及 PID 調(diào)節(jié)器控制算法都有影響。從物理意義上講采樣周期取決于被控參數(shù)的變 化率和過(guò)程對(duì)控制量的響應(yīng)，從理論上講采樣周期越短越好，這樣離散系統(tǒng)系統(tǒng)就會(huì)更加接近于連續(xù)系統(tǒng)，但在系統(tǒng)建模和控制中，若采樣周期過(guò)短，會(huì)將高頻噪聲作有用信號(hào)計(jì)入，導(dǎo)致模型發(fā)生不必要的升階。常被測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期見(jiàn)表 3— 3 所示 表 3— 3 被測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期 被測(cè)參數(shù) 采樣周期 T（ s） 備注 流量 壓力 液位 溫度 1~5 3~10 6~8 15~20 優(yōu)選用 1~2s 優(yōu)選用 6~8s 或純滯后時(shí)間 PID 調(diào)節(jié)器及被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 將式（ 3— 4）進(jìn)行 Z變換得 PID 調(diào)節(jié)器離散模型； 1221101)( ???? ??? Z gggZWzZP ID （ 3— 5） 對(duì)式（ 3— 5）進(jìn)行求解： 2 3 210 gggKp ??? )(2 )3( 210 210 ggg gggTTi ?? ??? 21020 32 ggg gTT ?? ?? 下面我們對(duì)被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行討論。通常被控過(guò)程是一個(gè)具有普遍意義的二階循環(huán)模型。 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 26 )1)(1()( 21 ??? STST KSG p 其中： K 為增益， T T2為對(duì)象時(shí)間常數(shù)，且 T2T1 )()(1)(])/1)(()/1)((1[)1()]1)(1(1[)11221111021221121121?????????????????????????????ZAZBZZaZaZbbZTSTTTTSTTTSZZKSTSTKSeZZGddTSP (3— 6) 其中： 1])(1[)]()(11[)()(1)()/1/1(/2/1121///1/2120)/1/1(2//1110122111211221212121?????????????????????????????????????deeTeTTTKbeeeTeTTTKbeaeeaZbbZBZaZaZATTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT 為滯后步數(shù) （ 3— 7） 二階慣性加純滯后環(huán)節(jié)也是一個(gè)典型的過(guò)程控制模型。 )()(1)(])1)(1(1[)()1)(1()(1122111102121??????????????????????????ZAZBZZaZaZbbZSTSTeKSeZZGSTSTeKSGddsspsP??? 其中滯后步數(shù) 1??Nd 1021 /// bbaa 的值與式（ 3— 7）中的值相同。 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 27 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主要程序的框圖 和原理圖 圖 4— 1 主程序與鍵盤(pán)中斷子程序服務(wù) 電氣與信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 28 開(kāi)始選擇第一個(gè)通道調(diào)溫度測(cè)量子程序?qū)嶋H溫度是否等于給定溫度調(diào)升溫速率測(cè)量子程序?qū)嶋H升溫速率是否等于給定升溫速率調(diào)PID控 制子程序控制口輸出子程序選擇下一個(gè)通道有無(wú)鍵按下？（2F ）內(nèi)容增1并保持輸出狀態(tài)判斷（2F H）是否為14 ？