【導(dǎo)讀】以適當(dāng)?shù)耐鈬娐穼?shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，實(shí)施溫度監(jiān)控。這個(gè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分，其中硬件部。塊，以及執(zhí)行部分的固態(tài)繼電器等。軟件部分主要包括主程序，T0中斷程序以及嵌套在T0中斷程。序中的幾個(gè)程序等幾個(gè)部分。本設(shè)計(jì)中，采用PID控制。當(dāng)溫度發(fā)生變化進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)偏差量時(shí)，通過PID算法從單片機(jī)口上輸出一。個(gè)脈沖，偏差量的大小不同其輸出脈沖的寬度也相應(yīng)的改變，從而改變了固態(tài)繼電器的接通時(shí)間，最終改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。我們將熱電偶、輸入輸出通道、單片機(jī)模塊等環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)溫度單回路數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。Keywords:MCU；PID；temperaturecontrol；systemhardware；systemsoftware

　　

【正文】 ( 1)p I DU n p p p? ? ? ? ? (35) PID控制算法子程序設(shè)計(jì) 由于電阻爐一般都屬于一階對象，為了求出幾個(gè)系數(shù)，我們用到擴(kuò)充響應(yīng)曲線整定 PID 參數(shù)。式 35 可以改寫成： ( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ( 2 ) ]p I Dp k p k k E n E n k E n k E n E n E n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?） ( 1) P I Dp k p p p? ? ? ? ? (36) PID 控制算法子程序是根據(jù)式 36 設(shè)計(jì)的 。圖 34 為數(shù)字 PID 控制算法流程圖。 表 31 存儲器內(nèi)部字節(jié)分布 46H 最低字節(jié) 47H 次低字節(jié) 48H 次高字節(jié) 49H 最高字節(jié) 4AH 最低字節(jié) 4BH 次低字節(jié) 4CH 次高字節(jié) 4DH 最高字節(jié) 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 20 圖 3－ 4 數(shù)字 PID 控制算法流程圖 PID參數(shù)的整定 和求取 PID控制器的參數(shù)自整定原理是基于被控對象的繼電特性，如圖 3－ 5 所示。啟動整定程序時(shí)，系統(tǒng)將切斷 PID 控制器，在閉環(huán)中接入帶滯環(huán)的繼電特性，系統(tǒng)將產(chǎn)生受控振蕩 ，見圖 3－６ 。 圖 3－ 5 自整定原理示意圖 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 21 圖 3－ 6 振蕩波形示意 圖 系統(tǒng)對象的參數(shù)可用下式求得： 式中： Ra 為振蕩波形的平均值； a 為滯環(huán)寬度； h=h0h1。其余符號的意義。 （１） 控制度的選擇 控制度就是以模擬控制器為基準(zhǔn)，將 DDC的控制效果與模擬控制器的效果相比較?？刂菩Ч脑u價(jià)函數(shù)通常采用 20()E t dt?? （誤差平方積分）表示。 顯然由于采樣周期不是無限小的，所以必定會影響系統(tǒng)的質(zhì)量，在 上式中，分子必然大于分母，控制度必然大于 1，說明 DDC系統(tǒng)質(zhì)量很好；其離開一越大，則系統(tǒng)質(zhì)量越差。上式的控制度定義只有概念上的意義，缺乏可操作性。 一個(gè)對象的純滯后大小是相對于對象的慣性而言的，通常以比值表示。其大小對系統(tǒng)的性能影響很大。當(dāng)變大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變壞；當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，系統(tǒng)成為不穩(wěn)定的。而放大系數(shù)和積分作用對系統(tǒng)的影響與此相似，即放大系數(shù)變大和積分作用變強(qiáng)都會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。此外，微分的作用和積分的作用相反，越大，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定。如上圖中介紹的三種工能的各自特性，這樣，完全可以按照其大小 來選擇控制度。 其原則是： ● 若 T0/τ 較小，即 ? 較大，宜選擇較大的控制度 ，即對應(yīng)于較小的 pk 和較大的 iT ； ● 若 T0/τ 較大，即 ? 較小 ，宜選擇較小的控制度； ● 若 ? 較小， T0不必選大，宜選擇較小的控制度。若 ? 較大， T0可取大一些，宜選擇較大的控制度。 通常當(dāng)控制度為 時(shí)，表示 DDC 系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)效果相當(dāng)。 （２） 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定 的步驟如下： ● 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。然后改變給定值，給對象一個(gè)階躍信號。 ● 用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線。 ● 在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時(shí)間 τ ，被控對象時(shí)間常數(shù) T0以及它們的比值T0/τ ，查表 32，即可得到數(shù)字控制器的 及采樣周期 T。 表 32 擴(kuò)充曲線響應(yīng) 表 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 22 控制度 控制規(guī)律 T Kp Ti Td PI PID PI PID PI PID PI PID （ ３ ）階躍響應(yīng)曲線的測定 一階對象： 對象的微分方程為： Ty(t)‘ +y(t)=Kc(t) （ 38） 它的傳遞函數(shù)為： W(s)=K/(T0S+1) （ 39） 圖 3－ 7 一階曲線圖 它的曲線如上圖所示。根據(jù)一階 對象的響應(yīng)特性有：一般幅值的階躍信號輸入時(shí)，輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅值即為放大倍數(shù) K，輸出從起始值到達(dá) T。 純滯后的一階對象： 這種對象的微分方程為： Ty(t)’ +y(t)=Kc(tτ ) （ 310） 則它的傳遞函數(shù)為： W(s)=Keτ s/(T0S+1) （ 311） 圖 3－ 8 純滯后一階曲線圖 它的曲線如上圖所示。它與上圖的區(qū)別在于起始有一段純滯后τ。 （４） 純滯后曲線的測量 在實(shí)際測量對象的曲線時(shí)，一般只能 在較窄的動態(tài)范圍中進(jìn)行。因?yàn)檩斎腚A躍信號若從“零”開始常會有很大的非線性。但階躍信號也不能取得太小，否則干擾對測量結(jié)果誤差的影響就相對增加。 實(shí)驗(yàn)的示意如圖 39 所示。它在穩(wěn)定控制信號作用下系統(tǒng)有一個(gè)穩(wěn)定的輸出，然后突然在輸入端加一幅適宜的階躍控制信號。輸出對應(yīng)也有一個(gè)變化部分，此即為輸出的飛升曲線圖。當(dāng)然它對應(yīng)的輸入也就是這個(gè)突然附加的階躍信號。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 23 圖 3－ 9 試驗(yàn)框圖 由曲線 bc值減去 y0即為對象的飛升曲線。 利用同樣的方法測得的電阻爐爐溫的飛升曲線 將上述測得的兩條飛升曲線與典型傳遞函數(shù)的飛升曲線比 較，可知圖 310是一階對象的飛升曲線，而電阻爐爐溫的飛升曲線是帶純滯后的一階對象。其傳遞函數(shù)是： W(s)=Keτ s/(T0S+1) （ 312） 式中： K—— 放大系數(shù) T0—— 對象時(shí)間常數(shù) τ —— 對象滯后時(shí)間 圖 3－ 10 對象的飛升曲線 （５） 參數(shù)的求取 對于一階對象的放大倍數(shù) K 可由輸出穩(wěn)態(tài)值和輸入階躍信號幅值的比值求得。輸出從起始值到達(dá) 。而對象滯后時(shí)間τ可直接從圖中測量。 但實(shí)際的飛升曲線起始有彎曲 ，不易找到確切的位置來滯后時(shí)間，這時(shí)可用一階加純滯后的虛線曲線來迫近，使后面大部分重合，而起始部分則可定出一個(gè)等效的滯后時(shí)間τ ， 這使我們可在曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（即拐點(diǎn)）處作一切線，如圖與時(shí)間軸的交點(diǎn)認(rèn)為是一階的起點(diǎn)，即純滯后時(shí)間τ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)時(shí)間常數(shù)應(yīng)為 T0，加上純滯后時(shí)間則實(shí)測為 τ +T0。這樣就求出一階對象的三個(gè)參數(shù) K， T0，τ .再根據(jù)表 32采用經(jīng)驗(yàn)值法對 pK , IK . DK .查表獲得 PID 的系數(shù)值，從而對確定對 PID 控制器的設(shè)定。 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 24 圖 3－ 11 電阻爐 飛升曲線圖 根據(jù)飛升曲線 可得出電阻爐的參數(shù)： T0= 1490 （ S） τ =40 （ S） 根據(jù)控制度為 ，控制規(guī)律為 PID 以及 τ、 T0查表 32 則可以求出 PID 參數(shù) Kp、 Ki、 Kd、 T。 經(jīng)計(jì)算： KP=43 KI=80 KD=18 T=2 (S) 溫度控制程序 溫度控制程序的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：① 鍵盤掃描，鍵碼識別和溫度顯示；② 爐溫采樣，數(shù)字濾波；③ 數(shù)字處理時(shí)把所有數(shù)按定點(diǎn)純小數(shù)補(bǔ)碼形式轉(zhuǎn)換，然后把 8 位溫度采樣值， Ui(k)和給定值 maxU 和 minU 變成 16 位參加運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果取 8 位有效值；④ 越限報(bào)警和處理；⑤ PID 計(jì)算和溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和 T0中斷服務(wù)程序兩部分組成。 系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式。首先使 T0定時(shí)器產(chǎn)生每 5秒一次的定時(shí)中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周 期。在其中中斷服務(wù)程序中啟動 A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波，上下報(bào)警處理， PID計(jì)算輸出控制信號。脈沖的寬度則由 T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。從 T1中斷返回后，再從 T0中斷返回主程序，等待下次 T0中斷。 需要說明的是， T1中斷嵌套在 T0中斷之內(nèi)，而 T1的初值是由 PID計(jì)算決定的，所以 PID的最大輸出必須小于 250，既保證在 T0 再次溢出中斷之前， T1 中斷服務(wù)結(jié)束，并以 T0 中斷返回到主程序，否則程序不能正常運(yùn)行。上述中的 T0定時(shí)器產(chǎn)生每 5秒一次中斷是指的外部中斷，即 由于系統(tǒng)所使用的是 220V 交流電壓，其為 50HZ，時(shí)鐘周期為 ，而本設(shè)計(jì)對 T0的最大值為 250，所以采樣周期即為 5S,這樣就無需對采樣周期值進(jìn)行標(biāo)幺值 來添加系統(tǒng)的復(fù)雜度。 主程序 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 25 圖 3－ 12 主程序圖 /*主程序 */ ORG 0000H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH ；定義四個(gè)顯示緩沖區(qū) MOV SP,50H 。 50hSP，堆棧指針初始化 MOV A, 00H 。 對 A清零 MOV 2FH, A MOV 30H, A MOV 3BH, A MOV 3CH, A MOV 3DH, A MOV 3EH, A MOV 44H, A 。 以上 7 句清暫存單元 MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A 。清顯示緩沖區(qū) MOV TMOD,56H 。 設(shè)置 T0為計(jì)數(shù)器方式 2， T1 為方式 1 MOV TL0,06H MOV TH0,06H 。 T0 賦初值 MOV 31H， 00H MOV 32H， 02H ；送 UR 值 MOV 33H， 00H MOV 34H， 2BH ； KP 賦初值 MOV 35H， 00H 成都大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì) ） 26 MOV 36H， 50H ； KI 賦初值 MOV 38H， 12H ； KD 賦初值 MOV 37H， 00H MOV 42H， 05H ；送 Umax值 MOV 43H， 01H ；送 Umin 值 CLR PT0 。 設(shè) T0為低中斷優(yōu)先級 SETB TR0 。 啟動 T0工作 SETB ET0 。 T0 中斷允許 SETB EA 。 CPU 開放中斷 LOOP: ACALL DISPLAY 。調(diào)用顯示程序 AJMP LOOP ；等待 中斷 T0 中斷程序 T0 中斷服務(wù)程序如圖 410 所示，由圖可見， T0中斷服務(wù)程序是由溫度控制系統(tǒng)的主體程序，用于采樣爐 溫，讀入采樣數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波，越限溫度報(bào)警和越限處理， PID計(jì)算和在 出控制脈沖等。在 T0 中斷服務(wù)程序中， C8051 一方面把計(jì)算出來的 PID 值的補(bǔ)碼送入 TL0（ TH0 為FFH），使 “ 1”狀態(tài)和啟動 T1工作，然后等待 T1中斷，并在該中斷服務(wù)程序中使“ 0”狀態(tài)，以便在 ，控制加在固態(tài)繼電器上的同步脈沖數(shù)，達(dá)到對爐內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。 C8051從 T1中斷服務(wù)程序返回后即可恢復(fù)現(xiàn)場返回主程序，以等待下次 T0中斷。 T0中斷服務(wù)程序包括一系列的 子程序：溫度采樣子程序 、數(shù)字濾波子程序、越限處理程序、 PID計(jì)算程序等。在 PID 計(jì)算程序中，也需要用到 雙字節(jié)加法