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pid溫控系統(tǒng)的設(shè)計及仿真畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-06-30 19:04本頁面
  

【正文】 模糊數(shù)學的誕生。根據(jù)1989年日本電子設(shè)備制造商聯(lián)盟的一份國家過程控制系統(tǒng)調(diào)查,超過90%的控制環(huán)類型是PID型。當采樣周期相當短時,用求和代替積分,用差商代替微商,使 PID 算法離散化,將描述連續(xù)時間 PID算法的微分方程,變?yōu)槊枋鲭x散時間 PID 算法的差分方程,即為數(shù)字PID 位置型控制算式,如下式(): ()式中:為k采樣周期時的輸出為k采樣周期時的偏差為采樣周期 即有 ()其中、分別為比例、積分、微分系數(shù)。進入計算機的連續(xù)時間信號,必須經(jīng)過采樣和整量化后,變成數(shù)字量,方能進入計算機的存貯器和寄存器,而在數(shù)字計算機中的計算和處理,不論是積分還是微分,只能用數(shù)值計算去逼近。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中,控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。越大,則它抑制e(t)變化的作用越強,越小,它反抗變化的作用越弱。(3)微分部分微分部分數(shù)學表達式為: ()微分控制得出偏差的變化趨勢,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。當較小時,則積分作用較強。當較大時,則積分作用較弱,這時,有利于系統(tǒng)減小超調(diào),過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。可是積分作用具有滯后特性,積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大,控制的動態(tài)性能變差,甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分部分積分部分數(shù)學表達式為: ()從積分部分的數(shù)學表達式可以知道,只要存在偏差,則它的控制作用就會不斷地積累,輸出控制量以消除偏差。這三部分分別是:(1)比例部分比例部分數(shù)學表達式為: ()偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即有控制作用,使控制量朝著減小偏差的方向變化,控制作用強弱取決于比例系數(shù),越大,則過渡過程越短,控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越?。坏酱?,超調(diào)量也越大,越容易產(chǎn)生振蕩,導(dǎo)致動態(tài)性能變壞,甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器,若改進型包含在內(nèi)則超過90%)[19]。PID控制是迄今為止最通用的控制方法。15PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 第三章 系統(tǒng)控制方案第三章 系統(tǒng)控制方案 PID 控制 PID的概述PID的發(fā)展過程,很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進行按鍵處理,同時采用555報警器蜂鳴報警。人機接口的典型裝置是一個操作顯示臺或操作顯示面板。因此前向通道必須高精確度。小 結(jié)系統(tǒng)以AT89C52為控制核心。(5) 恢復(fù)過程:當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后,定時電容C將通過飽和導(dǎo)通的晶體三極管TD放電,時間常數(shù)為τ2=RCES?C,(RCES是TD的飽和導(dǎo)通電阻,很?。?,經(jīng)3~5τ2后,C放電完畢,恢復(fù)過程結(jié)束。在電容上電壓上升到2Vcc/3以前,顯然電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。因為=,由高電平跳變到低電平時,比較器C2的輸出跳變?yōu)?,基本RS觸發(fā)器立刻被置成1狀態(tài),即暫穩(wěn)態(tài)。電路的工作原理:(1) 沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài):無觸發(fā)信號即為高電平時,電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)——Q=0,為低電平,TD飽和導(dǎo)通。 4位LED動態(tài)顯示接口電路3.蜂鳴報警電路本設(shè)計中,蜂鳴報警電路采用一片時基電路555()R、C是定時元件;8155的PC5口是輸入觸發(fā)信號,下降沿有效,加在555的TR端(2腳);u0是輸出信號其中,輸出脈沖寬度=。8155的PC口作為LED的位選控制口,LED共陽極接法,由反向驅(qū)動器74LS06驅(qū)動LED顯示器,提高驅(qū)動能力。(2) 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路,數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路是把所有的8個筆畫段的同名端連在一起,而每個顯示器的公共極COM是各自獨立地接受I\O線控制。特點是:將多個8段LED顯示器同名端的段選線復(fù)接在一起,只用一個4位I/O控制各個LED顯示器的公共陰極輪流接地,逐一掃描點亮,使每位LED顯示該位應(yīng)當顯示的字符。所以本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示。LED顯示器有兩種顯示方式,即靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。2.數(shù)碼管顯示電路顯示電路的顯示器主要有發(fā)光二極管LED和液晶顯示器LCD。即在單片機獲得口線為低的信息后,不是立即認定S已經(jīng)被按下,而是延時10~20 ms時間后再次檢查口線輸入,如果仍為低,說明S鍵的確按下,避開了按鍵按下的抖動時間。常用去抖動的方法有兩種,硬件去抖動,軟件去抖動。本設(shè)計采用中斷方式的獨立式鍵盤電路。(b)為中斷方式的獨立式鍵盤電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線,每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。非編碼鍵盤有獨立式連接的和矩陣式連接的,一般矩陣式連接的非編碼鍵盤只適合鍵盤數(shù)目多的情況,由于本系統(tǒng)的按鍵比較少,所以采用獨立式非編碼鍵盤。按鍵是以開關(guān)的狀態(tài)來設(shè)置控制功能和輸入數(shù)據(jù)。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進行按鍵處理,同時采用555報警器蜂鳴報警。這種人機接口的典型裝置是一個操作顯示臺或操作顯示面板。 人機通道設(shè)計微機控制系統(tǒng)中除了與生產(chǎn)過程進行信息傳遞的過程輸入、輸出通道與接口處,還有與操作人員進行信息交換的輸入、輸出設(shè)備或器件,這種人機聯(lián)系的設(shè)備或器件稱為人機接口。廣泛應(yīng)用在電動機調(diào)速、家用電器、送變電電網(wǎng)的建設(shè)與改造、電力拖動、印染、塑料加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。該電路采用過零觸發(fā)技術(shù),具有電壓過零時開啟,負載電流過零時關(guān)斷的特性,在負載上可以得到一個完整的正弦波形,因此電路的射頻干擾很小。 SSR電路圖固體繼電器由輸入電路、驅(qū)動電路和輸出電路三部分組成。固體繼電器是一種四端器件,兩個輸入端,兩個輸出端。2.固體繼電器SSR固體繼電器(Solid State Relay SSR)是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無觸點電子開關(guān)器件。這種控制方式與相位控制相比,電路簡單,功率因素高,適用于有較大的時間常數(shù)的負載。這種方法在工作過程中會產(chǎn)生高次諧波,功率因素也較低。1.雙向晶閘管當雙向晶閘管陽極電流大于掣住電流,管子就導(dǎo)通;當陽極電流小于維持電流則管子關(guān)斷。執(zhí)行元件為帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向晶閘管 AC—SSR ,正脈沖出發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)脈沖由過零檢測電路產(chǎn)生。 E2PROM24C02 用于存儲控制參數(shù),以免掉電丟失。單片機對溫度信號處理后一方面送數(shù)碼管顯示,另一方面與設(shè)定的溫度曲線進行比較以實施控制。 MAX6675引腳圖 MAX6675輸出時序圖(2) MAX6675在單片機溫度測控系統(tǒng)中的應(yīng)用 MAX6675 處理 K 型熱電偶信號的單片機溫度測控系統(tǒng)原理圖。 SO 為數(shù)據(jù)輸出端,溫度轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)由該腳以SPI方式輸出。 MAX6675 引腳排列圖,采用8腳 SO 形式封裝,T+接K型熱電偶的正極(鎳鉻合金),T接K型熱電偶的負極(鎳硅合金或鎳鋁合金),片選信號端 CS 為高電平時啟動溫度轉(zhuǎn)換,低電平時允許數(shù)據(jù)輸出。用K型熱電偶對溫度進行采集,經(jīng) MAX6675 送單片機 AT89C52 。6.集成形式以往的熱電偶測溫電路比較復(fù)雜、成本高、精度低,而且容易遭受干擾。因為溫度的變化比較大,滯后性大,設(shè)計中采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器。根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換的原理不同,可以分為雙積分型、逐次逼近型、電壓頻率型等。5. A/D 轉(zhuǎn)換電路前置放大器輸出的信號是連續(xù)變化的模擬量,必須將此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入單片機進行數(shù)據(jù)處理。為使系統(tǒng)具有極高的可靠性,所以前置放大電路一般都采用具有性能優(yōu)異體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點的 AD 公司生產(chǎn)的高性能儀表專用運放 AD521 。4.前置放大電路熱電偶出來的毫伏級電壓,無法直接進行 A/D 轉(zhuǎn)換,必須進行放大處理。只有將冷端的溫度恒定,熱電動勢才是熱端溫度的單位函數(shù)。3.冷端補償電路在實際應(yīng)用中,熱電偶的冷端通常靠近被測對象,且受到周圍環(huán)境溫度的影響,其溫度不是恒定不變的。(3) 鎳鉻鎳硅 熱電偶 它是廉價金屬,使用溫度在200~1300℃。2.熱電偶檢測電路幾種常見的熱電偶有:(1) 鉑銠10 鉑熱電偶 屬貴金屬熱電偶,它長期使用的最高溫度可達1300℃,短期可達1600℃。1.常用形式采用性能較好的熱電偶測溫裝置,采用查表法處理熱電偶電勢與溫度值間的非線性。 電烤箱溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 前向通道設(shè)計前向通道是系統(tǒng)獲取信息數(shù)據(jù)的組成部分,它的性能好壞直接決定了整個系統(tǒng)的精度,而且一旦產(chǎn)生較大誤差,將無法消除。溫度信號的采集、數(shù)字濾波、標度變換、溫度給定、溫度顯示、越限報警及參數(shù)模糊自整定PID控制算法等功能的實現(xiàn)均由各子程序完成。本系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計,應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序組成。(5) 給出必要的程序說明,便于后期程序維護。對于重要的參數(shù)要定時存儲,以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。(3) 具有一定的保護措施和容錯功能。這不僅有利于程序的進一步擴充或完善,而且也有利于程序的后期修改和維護。2.軟件設(shè)計的基本原則(1) 結(jié)構(gòu)合理。有完善的抗干擾措施,是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。選購設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求,以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下,系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。因為系統(tǒng)在設(shè)計完成后,主要的成本便集中在硬件方面,當然也成為產(chǎn)品爭取市場關(guān)鍵因素之一。1.硬件設(shè)計的基本原則(1) 良好的性價比。若用軟件代替硬件功能,可以增加系統(tǒng)的靈活性,降低成本,但系統(tǒng)的工作速度也降低。另外,還要對系統(tǒng)設(shè)計過程中可能遇到的技術(shù)難點做到心中有數(shù),初步定出系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線。如產(chǎn)品的應(yīng)用場合、面向的客戶類型等。在本設(shè)計中,溫度控制器以 AT89C52 單片機為核心。這些廠家生產(chǎn)的與 MCS51 系列單片機兼容的各種增強型、擴展型單片機,已成為世界上8位單片機市場的主流產(chǎn)品。20世紀80年代中期以后,Intel公司已把精力集中在 CPU 芯片的開發(fā)、研制上,并逐漸放棄了單片機芯片的生產(chǎn),但是以 MCS51 內(nèi)核技術(shù)為主導(dǎo)的單片機已經(jīng)成為許多廠家及公司競相選用的對象。4PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 第二章 溫控系統(tǒng)的設(shè)計第二章 溫控系統(tǒng)的設(shè)計 溫控系統(tǒng)的總體設(shè)計單片機自20世紀70年代問世以來,已對人類社會產(chǎn)生了巨大的影響。總之,實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)整,將線控制與非線性相結(jié)合,使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最終目的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用自適應(yīng)的方法,具有很強的魯棒性,動態(tài)響應(yīng)快,缺點是容易陷入局部最優(yōu),采用遺傳算法來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的快速全局尋優(yōu)。由于其屏蔽了具體工藝及器件差異,不會因工藝及器件變化而變化。該系統(tǒng)能使溫度隨外界干擾條件的變化,實時的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和控制規(guī)律,具有良好的溫度跟蹤性能和抗干擾能力。6.模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法三者結(jié)合文獻[[] 鄭明方. 管式裂解爐溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制[J]. 江蘇石油化工學院學報, 1999, (10):40]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,將模式辨識、預(yù)測最優(yōu)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)估器辨識系統(tǒng)模型,并實時為控制器提供參考輸入
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