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畢業(yè)論文-基于51單片機(jī)和pid的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計-wenkub.com

2024-08-21 11:24 本頁面
   

【正文】 這次的設(shè)計是我的一次實踐,也剛剛打開科技的大門,今后我還想擁有更多的機(jī)會去實踐,讓我得到更多的鍛煉!感謝張老師對我們的耐心指導(dǎo)。本次設(shè)計的恒溫控制系統(tǒng)不僅能滿足各項設(shè)計指標(biāo),并且具有體積小,結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜,準(zhǔn)確性高、可行性強(qiáng)等優(yōu)點。為了驗證此次設(shè)計的準(zhǔn)確性,以電阻爐作為實例,利用MATLAB仿真與SIMULINK有機(jī)結(jié)合來完成,將設(shè)計結(jié)果用示波器的波形顯示出來。系統(tǒng)的超調(diào)量都有所降低,滿足本次設(shè)計的要求。當(dāng)KP1=, 等幅振蕩的階躍響應(yīng)曲線此時Kp1=,從圖3可以讀出曲線兩峰值之間的距離約為2s多一點,因此取T=。方法是逐步增大Kp1,直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩為止。希望通過PID校正,能夠使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無差,并且改善器快速性。記錄此時臨界振蕩增益Kp和振蕩周期T。利用飛升曲線法,可以求出K、和T,測得K=4,T=3min, = ()進(jìn)入SIMULINK環(huán)境,在元件庫里選擇所需要是元件,用鼠標(biāo)將器件連接起來,得到一個完整方框圖[6]。SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展,它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包,它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于,其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入,其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建,而非語言的編程上。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié),幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。出口(R0)=乘積的4字節(jié)地址指針。其子程序如下:DSUM: MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R6, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R7, A RET雙字節(jié)無符號乘法子程序:入口(R7R6)=被乘數(shù);(R5R4)=乘數(shù)。 輸出控制量的限幅處理。下面對PID運(yùn)算加以說明: 所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進(jìn)行處理。 根據(jù)輸出控制增量△,可求出本次控制輸出為 +△= ()由于電阻爐一般是屬于一階對象和滯后的一階對象,所以式中、的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實際經(jīng)驗,工程上已經(jīng)積累了不少行之的參數(shù)整定方法。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合,組成PD或PID控制. 綜上所述,(Kp、Ti、Td,): Kp、Ti和Td對系統(tǒng)的影響影響KpTiTd穩(wěn)態(tài)性能可以減少靜差,但不能消除消除靜差,但不能太大配合比例控制,可以減少靜差動態(tài)性能加快系統(tǒng)速度,但會引起震蕩太小會不穩(wěn)定,太大會影響性能太大和太小都會引起超調(diào)量大,過渡時間長。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。可供設(shè)計時參考。(3)從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看,要求采樣周期短些。以達(dá)到控制器的特性與被控過程的特性相匹配,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。位置式PID控制算法的缺點:當(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān),計算時要對e(k)進(jìn)行累加,運(yùn)算量大;而且控制器的輸出u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置,如果計算機(jī)出現(xiàn)故障,u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。積分控制: Gc(s) = Kp/T is(3) 微分環(huán)節(jié):反偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。即,控制器的輸出為: ()或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式: ()左中, kp——比例系數(shù);Ti——積分時間常數(shù);T d——微分時間常數(shù)。在接收時,8250把串行口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),并送入到接收數(shù)據(jù)寄存器中,同時把“接收數(shù)據(jù)就緒”信號置于狀態(tài)寄存器中,CPU讀到這個信號后,就用輸入指令從接收器中讀入一個數(shù)據(jù)。由于從機(jī)MCS51的格式固定為四種方式,本設(shè)計采用方式3。因此只需要配一些驅(qū)動、隔離電路就可以構(gòu)成了洋分布式系統(tǒng),由于MCS51單片機(jī)串行口是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平,為使其與RS232電平接口,在MCS51單片機(jī)串行口聯(lián)有1488和1489,以實現(xiàn)電平匹配。三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作,加熱器不工作。: 顯示接口電路 加熱控制電路。其中設(shè)置鍵與單片機(jī)的腳相連,、YES、NO用四行三列接單片機(jī)P0口,REST鍵為硬件復(fù)位鍵,與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。 穩(wěn)壓電路在這的穩(wěn)壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩(wěn)壓器”,穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波動、負(fù)載和溫度變化時,維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。然后再送去整流和濾波。 溫度采樣電路DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量,以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供,℃/LSB形式表達(dá),其中S為符號位。DS18B20為3引腳, DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端;GND為電源地;VDD為外接供電電源輸入端。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復(fù)雜,濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高,鑒于這些考慮,本設(shè)計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。、C的值選擇不當(dāng),使復(fù)位時間過長,單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。RST引腳是復(fù)位信號的輸入端,復(fù)位信號是高電平有效。(a)上電復(fù)位: 在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。晶體震蕩頻率高,則系統(tǒng)的時鐘頻率也高,單片機(jī)運(yùn)行速度也就快,但反過來運(yùn)行速度快對存儲器的速度要求就高,對印制電路板的工藝要求也高,所以,這里使用震蕩頻率為6MHz的石英晶體。RST 復(fù)位信號當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機(jī)器周期以上高電平時即為有效,用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。 AT89S52單片機(jī)信號引腳介紹[9]輸入輸出口線~ 口8位雙向口線~ 口8位雙向口線~ 口8位雙向口線~ 口8位雙向口線ALE 地址鎖存控制信號在系統(tǒng)擴(kuò)展時,ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來,以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。這樣,1個89S52,承擔(dān)了3個專用接口芯片的工作;不僅使成本大大下降,而且優(yōu)化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計,給用戶帶來許多方便??紤]到系統(tǒng)對傳輸速度的要求不高,在PCA機(jī)上設(shè)定和實時顯示溫度,系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口,下面對硬件電路作具體的設(shè)計。為了使設(shè)計的成本低、抗干擾強(qiáng),系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下,:通過單片機(jī)對偏差進(jìn)行PID運(yùn)算,輸出控制D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0—8V電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路,從而控制可控硅通斷率,通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。起控制規(guī)律可靈活多樣,可用一臺計算機(jī)對不同的回路實現(xiàn)不同的控制方式,并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只可改變控制程序即可,使用起來簡單方便,可改善調(diào)節(jié)品質(zhì),提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計方案 控制模塊的選擇,數(shù)字比較器與模擬控制器相比較,數(shù)字比較器具有以下幾個優(yōu)點: 模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限,當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時,就難以甚至無法實現(xiàn)。智能型電偶溫度表將置于被測對象中,熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),生成溫差電壓Vt,PLC自適應(yīng)恒溫控制電路,根據(jù)Vt的大小計算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)恒溫控制電路,并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷,實現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。在溫度到達(dá)設(shè)定的目標(biāo)溫度后,由于自然冷卻而使其溫度下降時,單片機(jī)通過采樣回的溫度與設(shè)置的目標(biāo)溫度比較,作出相應(yīng)的控制,開啟加熱器。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)作為微處理器。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。微分作用對噪音干擾有放大作用,因此過強(qiáng)的加微分環(huán)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定;積分調(diào)節(jié)作用:是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差,提高無差度。而PID控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟,控制結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)容易調(diào)整,不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié),所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。因此本設(shè)計采用若繼電接觸器控制系統(tǒng)。目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實際中得到廣泛的應(yīng)用,各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器,其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)是自動調(diào)節(jié)是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn),有利用PID調(diào)節(jié)控制實現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位的控制。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法,由于電路復(fù)雜,器件太多,往往很難達(dá)到理想的控制效果。本系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,硬件要求不高,且能對溫度進(jìn)行時實顯示,具有控制過程的特殊性,本設(shè)計提出了一種基于PID算法來實現(xiàn)恒溫控制的溫度控制系統(tǒng),主要是為了達(dá)到生產(chǎn)過程中對溫度控制速度快,準(zhǔn)確性高等特點。PID參數(shù)整定采用的是歸一參數(shù)整定法。本課題針對溫度控制的特點及實現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制的意義,設(shè)計了一種基于PID的恒溫控制系統(tǒng)。設(shè)計內(nèi)容包括硬件和軟件兩個部分。本設(shè)計由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號給單片機(jī),溫度信號采集電路采集現(xiàn)場溫度信號給單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號的偏差進(jìn)行PID計算,輸出控制信號給加溫控制電路,實現(xiàn)加溫和停止。關(guān)鍵詞:恒溫控制,單片機(jī),PID算法,MATLAB仿真ABSTRACTIndustrial production is a oneway temperature control, delay, the inertia and timevarying characteristics, To achieve the rapid temperature control and accuracy, improving the quality of products is a very important practical significance. The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature, Based on the design of a PID temperature control system. Design elements include hardware and software in two parts. Hardware circuit t
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