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基于pid的溫度控制與測量系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計-文庫吧資料

2024-09-05 18:45本頁面
  

【正文】 2 為 1 時表明熱電偶斷開; D1 為MAX6675 的標(biāo)識符,始終為 0; D0 位為三態(tài)。 表 33 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正 電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 C\S\ 片選端 7 S0 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空腳 MAX6675 與單片機的通信 MAX6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機接口,通信過程如下:當(dāng)單片機使 MAX6675 的 CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r, MAX6675 將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換;當(dāng)單片機使 MAX6675 的 CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, MAX6675 將停止任何信號的轉(zhuǎn)換 ,同時在 SCK 時鐘輸入脈沖的作用下,從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),一個完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個 SCK 時鐘周期,數(shù)據(jù)的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。它是一種高精度的集成芯片,體長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 積極小,不需要其它任何的外圍電路,就能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、 A/D 轉(zhuǎn)換及 SPI 串口數(shù)字化輸出功能,可以直接與單片機接口,大大簡化了熱電偶測量智能裝置原本復(fù)雜的軟硬件設(shè)計,大大減少了溫度控制過程中的不穩(wěn)定因素,保證了測溫的快速、準(zhǔn)確。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中,即采用單芯片來完成信號放大、冷端補償、線性化及數(shù)字化輸出功能,則將大大簡化熱電偶在單片機領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計。 ( 4)數(shù)字化輸出:與單片機系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口 ,而作為 模擬小信號測溫元件的熱電偶顯然無法直接滿足這個要求 ,需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ( 2)冷端補償:熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0 度時與測量端的電勢差值, 而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度變化而變化的,故需進(jìn)行冷端補償。經(jīng)綜合考慮 K 型熱電偶的測溫范圍、測溫精度、測溫特性及價格,本文設(shè)計的智能溫度測控系統(tǒng)選擇 K 型熱電偶作為溫度傳感器,實物如圖 33 所示。 溫度檢測電路的設(shè)計 溫度檢測電路是溫度測控系統(tǒng)中的重要部分,承擔(dān)著檢測電烤箱溫度并將數(shù)長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的任務(wù)在溫度的采集測量過程中 ,熱電偶因具有體積小、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高、性能穩(wěn)定、動態(tài)響應(yīng)好、輸出直接是電壓信號,便于訊號的遠(yuǎn)傳和記錄,也有利于集中檢測和控制等優(yōu)點而成為工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。 圖 31 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 溫度測控系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示,由以下幾部分組成: AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測模塊、鍵盤模塊、 LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。因此電烤箱的 溫度控制是一項關(guān)鍵性的技術(shù),本章主要討論電烤箱溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。最后通過對二種控制方案進(jìn)行仿真研究和分析,證實了參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短,超調(diào)量小,穩(wěn)態(tài)誤差小等較理想的性能指標(biāo),作為該溫控系統(tǒng)的控制器是可行的。 模糊自整定 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用模糊自整定 PID 控制算法控制電烤箱溫度的仿真模型: 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 當(dāng)給定值為 150 時,系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 27 所示: 圖 27 模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 由圖可以看出性能指標(biāo):調(diào)節(jié)時間 ts 約為 300s,超調(diào)量σ%= 0,穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。通過不斷調(diào)整 PID 三參數(shù),得到最佳仿真曲線,其中 Kp= 2,Ki= , Kd= 。 ( 2)常規(guī) PID 控制器無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的不同性能要求。 ( 2)控制器適用于多種截然不同的對象 ,其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù) 變化不敏感,算法在結(jié)構(gòu)上具有較強的魯棒性。 從式( 29)可以看出,每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān),為了避免在求取計算機輸出值 u (k)時對 e (k)量進(jìn)行累加計算,在實際應(yīng)用中常采用增量式 PID 控制算法: 根據(jù)遞推原理可得: ? ? )1()(1)1(u 10 ??????? ??? keKieKkeKk dkiiP ( 210) 用式( 29)減式( 210)可得 )}1()({)()}1(e)({)(u i ?????????? kekeKkeKkkeKk dp ( 211) PID 控制器的優(yōu)缺點 現(xiàn)今在過程控制中接近 90%仍是采用純 PID 調(diào)節(jié)器, PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象,充分反映了其良好品質(zhì)。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中,由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實時采樣,故它是離散時間控制系統(tǒng)。 DT 越大,則它抑制 e (t)變化的作用越強, DT 越小,它抗 e (t)變化的作用越弱。 (3)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度,微分控制能感應(yīng)出偏差的變化趨勢,增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng),減小超調(diào)量,克服振蕩,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) iT , iT 越大積分作用越弱,有利于系統(tǒng)減小超調(diào),過渡過程不易產(chǎn)生振蕩,但消除靜差所需的時間較長。因此 PK 選擇必須適當(dāng),才能取得過渡時間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。在圖 23 的基礎(chǔ)上簡單分析一下 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 : (l)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e (t),以最快速度產(chǎn)生控制作用,使偏差向減小的方向變化。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示。 圖 22 系統(tǒng)階躍響應(yīng)響應(yīng)曲線 根據(jù) CohnCoon 公式可得到系統(tǒng)模型的各參數(shù): k =, T = 178s, 時間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 溫度 /℃ 20 30 37 50 63 75 94 106 120 131 141 時間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 溫度 /℃ 152 161 168 171 175 177 178 179 180 180 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 τ =30s。 本文的被控對象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為 WKD298 的電烤箱,工作頻率 50Hz,溫度范圍 0250 度 ,總功率 2020W。一階慣性純滯后對象飛升曲線如圖 21 所示 。電烤箱在不同功率下的階躍響應(yīng)曲線基本相同,所以可由某一功率下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線來取得系統(tǒng)的近似特征參數(shù)。加熱絲的溫度逐漸升高,通過箱壁熱傳遞和熱輻射使箱體內(nèi)溫度也逐漸升高,溫箱有一定的容量滯后,其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié),因而一般可用一階慣性環(huán)節(jié)加一個滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型,其傳遞函數(shù)表示為: se1)( ???TSKsG (21) 式中 K 是對象的靜態(tài)增益; T 是對象的時間常數(shù); τ 是對象的純滯后時間??紤]到電烤箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,許多變量間只存在相關(guān)關(guān)系,而這種關(guān)系往往不能直接用數(shù)學(xué)式來精確描述,所以本文選擇實驗建模來獲取系統(tǒng)模型。這種方法存在數(shù)學(xué)方程不易準(zhǔn)確建立、實驗工藝較復(fù)雜、運行工況變化較大等缺點,最終會造成對象模型的不準(zhǔn)確。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 第二章 被控對象及控制策略 系統(tǒng)模型的建立 控制系統(tǒng)建模方法分為兩大類:機理建模和實驗建模。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則,給出整體設(shè)計方案,詳細(xì)介紹以單片機為核心的溫控系統(tǒng)各部分器件的功能與原理,給出電路原理圖,并對硬件采取各種抗干擾措施。 第二章:系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計,利用 Matlab 對 PID 控制 、 模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較 。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題以電烤箱為研究對象,針對電烤箱升溫單向性、大慣性、大滯后的特點,在比較常規(guī) PID 控制、模糊控制及參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略的基礎(chǔ)上,主要對參數(shù)模糊自整定 PID 控制的應(yīng)用進(jìn)行了研究,并結(jié)合虛擬儀器巨大的優(yōu)越性,設(shè)計出響應(yīng)速度快、超調(diào)量 小、穩(wěn)態(tài)誤差小的溫度測控系統(tǒng)。相比較而言,國內(nèi)智能控制技術(shù)與日本、美國、瑞典、德國等先進(jìn)國長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 家相比,仍存在較大差距。 總體而言,智能控制在溫度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨后越來越多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù),國家也越來越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用, 1993~ 1995 連續(xù)三年國內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會議?,F(xiàn)今 Simens 和 Inform 公司聯(lián)合研制了性能優(yōu)良的模糊控制開發(fā)軟件工具及第三代模糊微處理器,可利用軟件或硬件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的模糊控制。 1976 年, P. J. King 和 Mamdani 等人合作,采用模糊模型的預(yù)估方案,用模糊控制對反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制,成功解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題,這也是控制史上首次利用模糊控制來進(jìn)行溫度控制。 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1967 年 Leondes 等人在他們的技術(shù)匯報中首次正式使用 “智能控制 ”一詞。 本文的研究對象 —— 電烤箱,是一種非線性、時變性、大時滯的被控對象,用精確的數(shù)學(xué)模型表示 其特性是十分困難的,用常規(guī)的 PID 控制難以達(dá)到較高的控制精度,只有在參數(shù)整定準(zhǔn)確且系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下才能實現(xiàn),然而這對一般的電烤箱溫度控制系統(tǒng)來說都難以滿足,在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中,控制結(jié)果都有較大的超調(diào),本論文基于這一特點進(jìn)行研究,提出一種控制方案,把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合,開發(fā)一套基于模糊自整定 PID 參數(shù)算法的控制系統(tǒng),使其具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高、魯棒性強的特點。常用的溫度控制電路除了傳統(tǒng)的 PID 控制方法,近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng),包括智能控制與 PID 控制相結(jié)合及長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 這些智能控制之間的結(jié)合。它含有種類豐富的函數(shù)庫,科學(xué)家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強大的測控系統(tǒng)。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬儀器開啟了測控儀器的新紀(jì)元。 智能溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。一些智能儀器構(gòu)成的溫度監(jiān)測系統(tǒng),也往往需要人干預(yù),費時費力,而利用高級編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)又讓人感到力不從心。而當(dāng)前的發(fā)展對測控儀器提出了越來越高的要求,不僅要求能完成 實時在線監(jiān)測,還希望具有更強的通用性,能適應(yīng)多種多樣的使用要求,隨時可改變檢測對象、完成不同測試任務(wù)或升級換代,能建立起一個可掌握生產(chǎn)過程的信息資料,并能以監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化等手段為及時的人工決策和控制提供依據(jù)的測控系統(tǒng)。準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件,所以對溫度進(jìn)行控制是非常必要且有意義的。MCU 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 目 錄 摘 要 ..................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................. II 第一章 緒 論 ........................................................................................................ 1 課題的研究背景及意義 ......................................................................... 1 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...................................................................
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