【正文】 ………………………………………………………….16 PID調節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響………………………………………. 18 PID控制系統(tǒng)參數(shù)設定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點……………………………. 18 電加熱爐積分分離PID控制的仿真研究…………………………………….. 203. 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析…………………………………………………… 21 積分分離PID控制算法………………………………………………………… 21 占空比……………………………………………………………………………...25結論………………………………………………………………………………………27致謝………………………………………………………………………………………28參考文獻…………………………………………………………………………………29附錄1…………………………………………………………………………………….30附錄2……………………………………………………………………………………49緒論電加熱爐的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。電加熱爐本身可由多組爐絲提供功率，用多組溫度傳感器檢測爐內(nèi)溫度，因此電加熱爐屬多區(qū)溫度系統(tǒng)。本文討論的電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)由上下兩組爐絲進行加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐溫。為了降低電加熱爐的成本，系統(tǒng)要求采用實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍5176。本系統(tǒng)較理想地解決了爐溫控制中平穩(wěn)性、快速性與精度之間的矛盾。在社會發(fā)展的今天，電加熱爐的使用，即可以提高生產(chǎn)效益，節(jié)約能源，也減少了環(huán)境的污染，在社會經(jīng)濟發(fā)展和改善人民生活質量等方面的優(yōu)點早已成為社會的共識。人們對熱能的需求質量越來越大，電加熱爐的優(yōu)越性越發(fā)的突出來，這樣就出現(xiàn)了一個問題，由于傳統(tǒng)的電加熱爐存在一定的弊端而造成能源的浪費，導致其生產(chǎn)效率低，其主要原因是缺少有效的調節(jié)設備，導致的浪費。并且現(xiàn)代電加熱爐的控制方法由于數(shù)學深奧、算法復雜、現(xiàn)場工程師難以理解和接受，因而先進控制算法的推廣受到制約，為克服以上種種困難，將來的電加熱爐以控制算法簡單，靜動態(tài)性能好的特點，有較高的實用價值和理論價值，特別是以節(jié)約能源、保護環(huán)境的方向發(fā)展。 各主要芯片的在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的功能。其次是應用了定時/計數(shù)器。此外還應用了鎖存器74LS373。還有應用到了光控可控硅。它含鍵盤輸入和顯示輸出兩種功能。通過一個串行三態(tài)輸出端與主處理器或其外圍的串行口通信，可與主機高速傳輸數(shù)據(jù)，可編程輸出數(shù)據(jù)長度和格式。這種熱電偶可在1600176。C的高溫。由于A/D轉換器接受的是電壓量，所以在溫度變送器的輸出端介入電阻網(wǎng)絡，把得到的電流信號轉換成電壓信號。微型機構成的數(shù)字控制器對偏差按一定的控制規(guī)律進行運算，運算結果送D/A轉換器轉換成模擬電壓，經(jīng)功率放大器放大后送到晶閘管調壓器，觸發(fā)晶閘管并改變其導通角的大小，從而控制電阻爐的加溫電壓，起到調節(jié)爐溫的作用。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。功能如下說明：Pin20:接地腳Pin40:正電源腳，正常工作或對片內(nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。Pin9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。如果單片機是EPROM，在編程其間，PROE將用于輸入編程脈沖。[4]Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。 定時/計數(shù)器1）工作方式寄存器TMOD圖12 TMOD寄存器MM0選擇方式表12 MM0 選擇工作方式功能選擇位，當為0時，為定時器方式：當為1時為計數(shù)器方式。TMOD不能進行尋址，只能用字節(jié)傳送指令設置工作方式。定時器TCON格式如下：圖13 TCON定時器 TF1—定時器1溢出標志。進入中斷服務程序后，由硬件自動清0。當為1時，啟動定時器1工作；當為0時，關閉定時器1工作。TR0定時器0運行控制位。IE1外部中斷1請求標志。IE0外部中斷0請求標志。 鎖存器74LS373 74LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，其結構圖如下。如此時芯片的輸出控制端為OE低，即輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門輸出。它不帶三態(tài)門，但CLR端為低時，8個D觸發(fā)器中的內(nèi)容將被清除而輸出全零，所以正常工作時該端應接高電平。經(jīng)過我們對他們的分析最終我們采用74LS373。普通晶閘管是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件。事實上，晶閘管不只是川來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種額率的交流電變成另—種頻率的交流電，等等。1) 可控硅工作原理可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個PN結，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。由于BG1和BG2所構成的正反饋作用，所以一旦可控硅導通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關斷功能，所以這種可控硅是不可關斷的。（1）反向特性當控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結正偏，但JJ2結反偏。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿。圖17 陽極加正向電壓由于電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓后，J2結發(fā)生雪崩倍增效應，在結區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。這時JJJ3三個結均處于正偏，可控硅便進入正向導電狀態(tài)通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結正向特性相似，見圖2中的BC段（3) 觸發(fā)導通在控制極G上加入正向電壓時（見圖5）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。圖18 陽極和控制極均加正向電壓（4) 普通晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)有：(1)額定通態(tài)平均電流It在規(guī)定的使用條件下．陽極—陰極間可以連續(xù)通過50H正弦半波電流的平均值。在門極開路，不加觸發(fā)信號，允許重復加在晶閘管陽極和陰極之間的正向峰值電壓(手冊規(guī)定重復率為50次／s，持續(xù)時間不大于10MS)，稱為正向阻斷峰值電壓Vdrm。當晶閘管加反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)時．可以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓(手冊規(guī)定重復率為50次／s，重復時間不大于10MS)。(5)維持電流Ih。 8279的芯片介紹8279 是一種可編程/顯示器接口芯片，用的比較多。鍵盤輸入時它自動掃描，能與64個按鍵或傳感器組成的矩陣相連，接收輸入信息，存入先進先出/傳感器RAM；顯示輸出時它有一個顯示RAM，其內(nèi)容通過自動掃描，可由8或16位LED數(shù)碼管顯示。當CS為高，RD為低時，數(shù)據(jù)總線緩沖器信息送D7D0；當CS為高，WR為低時，D7D0上信息寫入數(shù)據(jù)總線緩沖器。（2）控制及定時寄存器和控制及定時控制及定時寄存器用于寄存CPU送來的命令字，在通過譯碼產(chǎn)生相應的控制信號。（3）掃描計數(shù)器 有兩種工作方式。（4）輸入緩沖器和鍵盤消抖控制 輸入緩沖器用與鎖存SL7SL0上的信息。傳感器方式時，則直接將掃描時SL7SL0上信息寫入FIFO/傳感器RAM。（5）FIFO/傳感器RAM和它的狀態(tài)寄存器 該RAM有8個單位。它的狀態(tài)寄存器存放狀態(tài)字，用以指出此RAM中存放的字符數(shù)，是否出錯及溢出、空、滿等信息。在傳感器方式時，RAM的每一單元存放傳感器矩陣中相應列的狀態(tài)信息，當某一傳感器狀態(tài)有變化，IRQ變高。（7) 由CPU向8279寫入的8種命令字（a）方式命令字 用于設定8279的各種方式。8279復位后，該命令字為3FH。它的DDD5=011，是特征位。與上一命令字一樣：D4=1時，每次讀出后地址自動加1。（f）清除命令字 在需要清除RAM中內(nèi)容等情況下，寫入此命令字。8279的狀態(tài)字的格式為：D7當執(zhí)行清除命令字為1，此時寫顯示RAM無效。DDD3位分別在FIFO/傳感器RAM溢出、已空或全滿時置1。8279的數(shù)據(jù)格式為：在鍵盤方式下，DD6分別表示CNTL鍵和SHIFT鍵的狀態(tài)；DDD3表示掃描計數(shù)器的數(shù)值，也即鍵盤的行號；DDD0表示由RL7RL0確定的閉合鍵的列號。[2]當8279的CS為高電平時，8279才進入工作狀態(tài)，即CS=1A0=1時是命令狀態(tài)字假設其余的全為低電平：即為 1000 0000 0000 0001=8001HA0=0時是數(shù)據(jù)口地址假設其余的全為低電平：即為 1000 0000 0000 0000=8000H A/D轉換芯片一般常見的有四種A/D轉換電路，其用途與性能見下表：表14 常見4種A/D轉換電路用途與性能A/D轉換電路性能　 用途計數(shù)器式最簡單，價格低，轉換速度很慢用得少雙積分式精度高，能消除干擾，轉換速度也慢用得多，多見于數(shù)字式儀表逐次逼近式轉換速度快用得最多并行式轉換速度最快，但硬件多，成本高只用于要求轉換速度很快的的場合這里選用的是ADC0809轉換芯片。應用單一+5V電源，其模擬量輸入電路的范圍為0~5V，對應的數(shù)值量輸出為00H~FFH，轉換時間為100us,無須調零或調整滿量程。該芯片中的START是芯片中的起動引腳。以上是設計系統(tǒng)中要用的主要芯片的簡介。其溫度控制具有非線性大、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，在傳統(tǒng)的控制中遇到了極大的困難。 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標在這里討論的電加熱爐爐溫控制由上下兩組爐絲進行加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐溫，為了降低電加熱爐的成本，爐絲采用電阻絲直接加熱，系統(tǒng)要求采用實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍5℃，調節(jié)溫度的超調量小于30%，系統(tǒng)被測參數(shù)是溫度，由單片機PID運算得出的控制量控制光控可控硅的導通和關斷，以便切斷或接通加熱電源，調整電功率，從而控制電加熱爐的溫度穩(wěn)定在設定的值上，并實時顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度的變化過程，以更好的控制電加熱爐工作。與電阻爐的時間常數(shù)相比，晶閘管調壓器、溫度變送器、功率放大器等環(huán)節(jié)都可以簡化成比例環(huán)節(jié)。所謂的設計過程中的調試，就是按照公式計算出參數(shù)的數(shù)值，然后送入到微機中運行，觀察效果，如果效果不好，則對相應的值作部分修改，一直調試到滿意的控制效果為止。 系統(tǒng)數(shù)學模型的建立電加熱爐本身由上下兩組爐絲加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐內(nèi)溫度。由于在各類工業(yè)控制中，時滯現(xiàn)象相當普遍，對于許多大的時間常數(shù)系統(tǒng)，也可以用適當?shù)臅r間常數(shù)加純滯后環(huán)節(jié)來近似。本文采用被控對象的數(shù)學模型為： (21) 由于電加熱爐本身是一個較復雜的被控對象，它具有非線性，時變和分布參數(shù)等特性。兩個系統(tǒng)的輸入輸出之間的相互影響看作是干擾。工作原理：熱電偶可將檢測的溫度轉換成mV級的電壓信號，經(jīng)溫度變送器放大后，送入A/D轉換器，轉換成數(shù)字量送入計算機，與設定值進行比較，經(jīng)PID調節(jié)后，輸出驅動信號，控制光控可控硅的導通與關斷，從而達到調節(jié)溫度的目的。圖21 反饋控制系統(tǒng)圖中G(s)與Gc(s)分別為控制器和被控對象的傳遞函數(shù)模型，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (22)由以上公式得到PID的傳遞函數(shù)： (23) PID控制器的控制算法以下介紹了其中的一種積分分離PID控制的控制算法。在計算機控制系統(tǒng)中使用的是PID數(shù)字調節(jié)器，就是對式(24)離散化 ，令 (26) 式中，T是采樣周期。由于位置式算法輸出在計算過程中容易產(chǎn)生積分飽和作用，導致控制器的響應速度變慢，而且由于積分的累積作用，在手動和自動切換時，很難做到無擾動切換。（2）當|e(k)|ε時，也即偏差值|e(k)|比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統(tǒng)有較快的響應。對于算法實現(xiàn)，可在積分項乘一個系數(shù)β，β按下式取值：