【導(dǎo)讀】開放性、高可靠性的方向發(fā)展。目前常用的控制方式有智能化儀表、PLC、DCS，它。們可組成各種控制系統(tǒng)以滿足不同的控制要求。其功能越來越強(qiáng)大、性能也越來越完。善，并具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、防爆性強(qiáng)等特點(diǎn)。泛，所以電阻爐的溫度控制就顯得尤為重要了。然后針對(duì)電阻爐的特點(diǎn)，提出了利用數(shù)字調(diào)節(jié)器、固態(tài)繼電器等器件組。成溫度控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制。這種方法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、易。系統(tǒng)，更深刻的理解設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的思想，為以后的學(xué)習(xí)、工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　

【正文】 論文 ） 25 圖 AT89C2051 引腳圖 主要性能： 和 MCS51 產(chǎn)品兼容； 2KB 可重編程 FLASH 存儲(chǔ)器（ 1000 次）； 電壓范圍； 全靜態(tài)工作： 0Hz24KHz； 2 級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 15 條可編程 I/O 線 ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 6 個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 高精度電壓比較器（ ， ， ） ； 直接驅(qū)動(dòng) LED 的輸出端口 ； ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng) 有很高的普及率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 圖 ADC0832 的引腳圖 ADC0832 具有以下特點(diǎn)： 8 位分辨率； 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 5V 電源供電時(shí)輸入電壓在 0~5V 之間； 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μS； 一般功耗僅為 15mW； 8P、 14P— DIP（雙列直插）、 PICC 多種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為 0176。C to +70176。C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 ?40176。C to +85176。C； 芯片接口說明： CS_ 片選使能，低電平芯片使能 ； CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用 ； CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/使用 ； GND 芯片參考 0 電位（地 ）； DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制 ； DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 ； CLK 芯片時(shí)鐘輸入 ； Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用） ； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 74LS164 為 8 位移位寄存器 ,其主要電特性的典 型值如下： 當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 B 任意一個(gè)為 低電平 ，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（ CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當(dāng) A、 B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。 圖 74LS164 的引腳圖 引腳功能： CLOCK ：時(shí)鐘輸入端 ； CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效） ； A， B ：串行數(shù)據(jù)輸入端 ； QA－ QH： 輸出端 ； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 圖 74LS164 的真值表 （ 2） PWM 電路的軟件 pWM 電路的軟件主要分為三部分，第一是模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，第二是將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) 轉(zhuǎn)化為占空比的程序，第三是 LED 顯示占空比的程序。本設(shè)計(jì)采用C51 進(jìn)行編程（程序見 附錄 C） （ 3） PWM 電路板 由于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字調(diào)節(jié)器不帶有 PWM 模塊，所以需要自己焊制 PWM 電 路板，電路板見圖 圖 PWM 電路板 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 用信號(hào)發(fā)生器模擬調(diào)節(jié)器輸出的 420mA 電流，對(duì) PWM 電路進(jìn)行了演示，具體見圖 ，圖 ，圖 圖 PWM 演示圖 1 圖 PWM 演示圖 2 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 圖 PWM 演示圖 3 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù) 前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下一步應(yīng)進(jìn)行該系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試。這時(shí)就應(yīng)該實(shí)際的考慮很多問題，包括在系統(tǒng)連接后運(yùn)行及調(diào)節(jié)參數(shù)上出現(xiàn)的問題。 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)線路 系統(tǒng)的連線框圖 系統(tǒng)的接線端子 圖與系統(tǒng)的基本原理框圖是一致的 。 見附錄 A 系統(tǒng)的連接線路 及 自動(dòng)控制過程 在實(shí)驗(yàn)室，對(duì) 儀表進(jìn)行了解， 然后按 照系統(tǒng)接線端子圖 連線。一定將各儀表對(duì)應(yīng)的端子連接正確， 避免造成事故。 連接好儀表后 ，檢查無誤后 再 接通電源。檢測(cè)一下調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器是否能正常工作。接通電源 ，參考前邊給定的 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，調(diào)試，整定系統(tǒng)以達(dá)到最佳的控制效果，確定最后的調(diào)節(jié)器參數(shù)。 熱電偶將檢測(cè)得到的 毫伏信號(hào)送入 調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把輸入信號(hào)與給定值 信號(hào)的差值進(jìn)行比例、積分、微分規(guī)律運(yùn)算后將控制信號(hào)送入 PWM 電路， PWM 電路控制固態(tài)繼電器的通電和斷電時(shí)間，從而控制 電阻爐的溫度，只有當(dāng) 調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)與給定值相等時(shí)，即差值為零時(shí)，固態(tài)繼電器的通電時(shí)間 不變 ， 使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達(dá)到了恒溫控制的 要求。 PID 調(diào)節(jié)器及其參數(shù)的整定 在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)相比較，并對(duì)由此所產(chǎn)生的偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行器的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同被測(cè)或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制。 P、 I、 D 各運(yùn)算規(guī)律的作用 基本運(yùn)算規(guī)律比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）三種， PID 調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律就是由這些基本運(yùn)算規(guī)律組合而成。下面分別介紹三種基本控制規(guī) 律的特點(diǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 32 （ 1） 比例（ P）控制規(guī)律 具有比例控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號(hào)的變化量 ΔY 與偏差信號(hào) ε 之間存在 比例關(guān)系，用微分方程形式表示為： ΔY=KPε （ 51） 式中， KP 為一個(gè)可調(diào)的比例增益。 采用圖示法表示的比例調(diào)節(jié)器在階躍輸入信號(hào)作用下其輸出響應(yīng)特性曲線如圖 所示。 圖 比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)輸出特性曲線 顯然，當(dāng)有偏差信號(hào)存在時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例地變化。 這是一種最基本、最主要、應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律，它能及時(shí)和迅速地克服擾動(dòng)的影響，從而使系統(tǒng)很快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但因調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)須始終保持比例關(guān)系，所以在系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控變量無法達(dá)到給定值，而是存在一定的殘余偏差，即殘差。 （ 2） 積分（ I）控制規(guī)律 具有積分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號(hào)的變化量 ΔY與偏差信號(hào) ε的積分成正比，用微分方程形式表示可為： 1Iy dtT ??? ? DdyTdt??? （ 52） 式中， IT 為積分時(shí)間； 1IT為積分速度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 33 采用圖示法表示的積分調(diào)節(jié)器在階躍輸入信號(hào)作用下其輸出響應(yīng)特性曲線如圖 所示。 圖 積分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)特性曲線 顯然，斜率與調(diào)節(jié)器積分 速度 1IT成正比的直線是積分過程的描述。直線越陡，表示積分速度越快，積分作用越強(qiáng)。 由圖 可見，具有積分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)變化量 ΔY 的大小不僅與偏差信號(hào) ε 的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就不斷地變化，偏差 ε 存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出信號(hào)變化量 ΔY 也越大，直到調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到極限值為止。只有在偏差信號(hào) ε 等于零時(shí)，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)才能相對(duì)穩(wěn)定，且可穩(wěn)定在任意值上，這是一種無定位調(diào)節(jié)。因此，希望消除殘差和最終消除殘差是積分調(diào)節(jié) 作用的重要特征。 此外還可看到在階躍輸入的瞬間調(diào)節(jié)器無輸出，而隨著時(shí)間的延續(xù)其輸出逐漸增大。由此可見，積分調(diào)節(jié)作用總是滯后于偏差的存在，不能及時(shí)和有效地克服擾動(dòng)的影響，使調(diào)節(jié)不及時(shí)，造成被控變量超調(diào)量增加，操作周期和回復(fù)時(shí)間增長(zhǎng)，也使調(diào)節(jié)過程緩慢，不易穩(wěn)定，是積分控制規(guī)律使用時(shí)需考慮的主要問題。所以積分控制規(guī)律一般不單獨(dú)使用。 (3) 微分（ D）控制規(guī)律 具有微分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號(hào)的變化量 ΔY 與偏差信號(hào) ε 的變化速度成正比，用微分方程形式表示可為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 34 D dyTdt??? （ 53） 式中， DT 為微分時(shí)間； ddt?為偏差信號(hào)的變化速度。 采用圖示法表示的理想微分調(diào)節(jié)器在階躍輸入信號(hào)作用下其輸出響應(yīng)特性曲線如圖 所示。 圖 理想微分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線 在階躍輸入信號(hào)出現(xiàn)的瞬間，即 t=t1 時(shí)，偏差信號(hào)的變化為無窮大，因而理論上輸出也應(yīng)達(dá)到無 窮大；而當(dāng) tt1 時(shí)， 輸出信號(hào)的變化等于零。實(shí)際上，這種理想的微分作用是無法實(shí)現(xiàn)的，而且也不可能獲得好的調(diào)節(jié)效果。 如圖 給出了應(yīng)用中的實(shí)際微分控制規(guī)律： 圖 應(yīng)用中的微分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 35 它是在階躍發(fā)生的時(shí)刻，輸出突然跳躍到一個(gè)較大的有限值，然后按指數(shù)曲線衰減直至零。該跳躍跳的越高或降的越慢，表示微分作用越強(qiáng)。 采用微分調(diào)節(jié)的好處在于偏差盡管不大，但在偏差開始劇烈變化的時(shí)刻，就能立即自動(dòng)地產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的調(diào)節(jié)作用，及時(shí)抑制偏差的繼 續(xù)增長(zhǎng)，故有超前調(diào)節(jié)的作用。同時(shí)，因?yàn)槲⒎终{(diào)節(jié)器的輸出大小只與偏差變化的速度有關(guān)，當(dāng)偏差固定不變時(shí)，無論其數(shù)值有多大，微分器都無輸出，不能消除偏差，因此不能單獨(dú)使用 [1]。 PID 參數(shù)的整定方法 在工業(yè)控制中， PID 控制器的參數(shù)與系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)。一旦工況改變了，控制器參數(shù)的 “ 最佳 ” 值也就隨著改變，這就意味著需要適時(shí)地整定控制器的參數(shù)。 圖 是典型的 PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在 PID 調(diào)節(jié)器作用下，對(duì)誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對(duì)象的輸入控制量。 K pK p /(T i S)K p T d S被控對(duì)象E （ S ）R （ S ） U （ S ） C （ S ）圖 典型的 PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在實(shí)時(shí)控制中，一般要求被控過程是穩(wěn)定的，對(duì)給定量的變化能夠迅速跟蹤，超調(diào)量要小且有一定的抗干擾能力。一般要同時(shí)滿足上述要求是很困難 的， 但必須滿足主要指標(biāo)，兼顧其它方面。參數(shù)的 整定 可以 通過理論計(jì)算和工程整定的方法來實(shí)現(xiàn)。下面 介紹幾種常用的控制器參數(shù)的工程整定 方法。 (1)臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間 IT 放到最大，微分時(shí)間 DT 放到最小，比例度 ? 放于適當(dāng)數(shù)值 (一般為 100%)，然后使 ? 由大往小逐步改變，并且每改變一次 ? 值內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 36 時(shí)，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時(shí)觀察被控變量 T 的變化情況。若 T的過渡過程呈衰減振蕩，則繼續(xù)減小 ? 值，若 T 的過渡過程呈發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大 ? 值，直到調(diào)至某一 ? 值，過渡過程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。這時(shí)過渡過程稱之為臨界振蕩過程。出現(xiàn)臨界振蕩過程的比例度 k? 稱為臨界比例度，臨界振蕩的周期 KT 則稱臨界周期。有了 k? 及 KT 這兩個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出當(dāng)采用不同類型控制器 (P、 PI、 PID)而使過渡過程呈 4﹕ 1 衰減振蕩狀態(tài)的控制器參數(shù)值。 PID 控制器的各經(jīng)驗(yàn)公式為： δ ％ = K， Ti=(min),TD=（ min） (其中， δ ％ = 1 100PK ?％ )。 算出控制器參數(shù)后，先將 δ 放在比計(jì)算值稍大一些 (一般大 20％ )數(shù)值上， 在依次放上積分時(shí)間和微分時(shí)間，最后再將δ放回到計(jì)算數(shù)值上即可。如果這時(shí)加干擾，過渡過程與 4﹕ 1 衰減還有一定差距 ，可適當(dāng)對(duì)數(shù)值做一點(diǎn)調(diào)整，直到過渡過程達(dá)到滿意為止。至此，調(diào)整完畢。 該方法應(yīng)用起來比較簡(jiǎn)單。然而，如果工藝方面不允許被控變量做長(zhǎng)時(shí)間的等幅振蕩，這種方法就不能應(yīng)用。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對(duì)象，或是一階加純滯后的對(duì)象。 (2)衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。它是通過實(shí)驗(yàn)找到 4﹕ 1衰減振蕩時(shí)的比例度δ S及振蕩周期 TS。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出當(dāng)采用不同類型控制器 (P、 PI、 PID)而使過渡過程呈 4﹕