【正文】 .................................................................................................... 19 參考文獻 .................................................................................................................................. 20 附 錄 ........................................................................................................................................ 21 1 第 1 章 前 言 在現(xiàn)代化的上業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數(shù)。通常，電阻爐爐溫控制都采用偏差控制法。 PID 控制是比例、積分、微分 控制的簡稱。隨著科學的發(fā)展，特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法，然而直到現(xiàn)在， PID 控制仍是最廣泛應用的控制方式之一。但對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最 在乎系統(tǒng)的快速性，所以目前， PID 算法一般是在順序程序結構的處理器上實現(xiàn)的，工程上實際應用的很多PID 控制器都是用單片機 （ MCU） 來實現(xiàn)的。軟件部分主要負責溫度信號采集、溫度值實時顯示驅動、溫度偏差信號處理。其中，溫度信號的準確性影響著整套系統(tǒng)的成功。熱電偶利用熱電勢原理進行溫度測量的。常用的熱電 偶從 50 ℃ 到 +1600℃均可正常測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃ （ 如金鐵鎳鉻 ） ，最高可達 +2800 度 （ 如鎢 欽 ） 。而且輸出量為電壓，需要經(jīng)過測量放大器、 AD 轉換后才能送入微處理器處理。在使用 中不需要任何外圍元件，測溫范圍 55℃ 到 +125℃，最小分辨率達 度。 方案二 ： 選用固態(tài)繼電器。 論證分析 經(jīng)過比較，采用 DS18B20 測量水溫，硬件電路簡單，測量精度高，信號易處埋，故溫度變送器選用 DS18B20。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬件電路的結構。 3 圖 21：系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點 ： （ 1）在完成所要求的任務的基礎之上還有著結構簡單明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。 （ 3） 采用了無污染能源，保護環(huán)境。采用了模擬的 PWM 變換，和固態(tài)繼電器。 4 第 3 章 PID 原理解說 PID 概念及其構成 在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID調節(jié)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。 PID 算法原理 常 規(guī)的模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 12 所示。其中 r(t)是給定值， y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差 e(t)： ( ) ( ) ( )e t r t y t?? （ 31） 圖 31 PID原理示意圖 其中 e（ t） 作為 PID 控制的輸入， u（ t） 作為 PID控制器的愉出和被控對象的輸入，所以模擬 PID 控制器的控制規(guī)律為 01 ( )( ) [ ( ) ( ]t d e tu t K p e t e t d t TdTi d t? ? ?? ） （ 32） 其中 Kp： 控制器的比例系數(shù) Ti： 控制器的積分系數(shù) Td： 控制器的微分系數(shù) 比例部分 5 在模擬 PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù) Kp，比例系數(shù) Kp 越大控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越小 ： 但是越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 積分部分 積分部分的數(shù)學表達式是： 0 ()tK e t dtTi ?ｐ (33) 從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控作用就不斷的增加 ：只有在偏差為 0時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)。 積分環(huán)節(jié)的調節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應速度，增加系統(tǒng)的超調量。當 Ti 較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。 微分部分 微分部分的數(shù)學表達式為 ： ()()de tKp Td dt? (34) 實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調節(jié)過 程。為了實現(xiàn)這一作用，可在 PI 控制器的基礎上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID控制器。它是根據(jù)偏差的變化趨勢 （ 變化速度 ） 進行控制。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。 微分部分的作用由微分時間常數(shù) Td 決定。微分部分顯然對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。 由于計算機的出現(xiàn)，計算機進入了控制領域。對公式 （ 22） 的 PID 控制規(guī)律進行適當?shù)淖儞Q，就可以用軟件實現(xiàn) PID控制，即數(shù)字 PID控制。 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進行連續(xù)控制。離散化處理的方法為 ： 以 T 作為采樣周期，作為采樣序號，則離散采樣時間對應著連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代 替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換 ： ( = 0 ,1 ,2 ,3 ... ..t k T k? ） 0 = 0 = 0( ) ( ) =kktjjje t d t T e jT T e? ??? (35) 1( ) ( ) [ ( 1 ) T ]()kkd e t e k T e kd t T Tee??? 上式中，為了表示的方便，將類似于 e(Kt)簡化成 ek。位置式的特點是每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，將過去的偏差進行 累加，對 于溫度控制系統(tǒng)，比較適合采用位置式控制。根據(jù)采樣定律可以確定采樣周期的上限值。 采樣周期的選擇，通常按照過程特性與干擾大小適當來選取采樣周期 ： 即對于響 應快波動大、易受干擾的過程，應 選取較短的采樣周期 ： 反之，當系統(tǒng)響應慢、滯后大時，可選取較長的采樣周期。 由于自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別， PID 的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。下面簡單介紹一下 調試 PID 參數(shù)的一般步驟 ： （ 1） 確定比例增益 P 確定比例增益 P 時，首先去掉 PID 的積分項和微分項，一般是 Td=0,Ti=0，使 PID為純比例調節(jié)。比例增益 P 調試完成。記錄此時的 Ti 設定 PID 的積分時間常數(shù) Ti為當前值的 150%180%。 （ 3） 確定積分時間常數(shù) Td 積分時間常數(shù) Td 一般不用設定，為 0即可。 （ 4） 系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調，再對 PID 參數(shù)進行微調，直至滿足要求。 9 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計 控制模塊單片機最小系統(tǒng)的設計 因為 8051 單片機內(nèi)部自帶 8k 字節(jié)的 ROM 和 256 字節(jié)的 RAM,因此不必構建單片機系統(tǒng)的擴展電路。值得注意的一點是單片機的 31EAVP 腳必須接高電平，否則系統(tǒng)將不 能運行 。在按鍵兩端并聯(lián)一個電解電容，濾除交流干擾，增加系統(tǒng)抗干擾能力。通過加一和加十來設置好閾 值溫度，并按下確定鍵 進入加熱環(huán)節(jié)。若是想退出系統(tǒng)，按下復位鍵即可。由于數(shù)碼管的輝光效應，即使溫度更新較快，也可以準確的讀出溫度值，不會出現(xiàn)亂碼的情況。溫 11 度采集模塊的電路圖 44 示： 圖 44 溫度傳感器部分 12 第 5 章 軟件系統(tǒng)的設計 軟件系 統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心 ,相當于人體的大腦 ,完成溫度的采集 ,PID 運算 ,以及 PWM 波的輸出等重要環(huán)節(jié) ,軟件系統(tǒng)是否能夠設計的完美 ,決定了整個系統(tǒng)能否正常工作 ,甚至達到自己預設的那些目標。 主程序模塊流程圖的搭建 主程序就是真正工作時候 執(zhí)行的程序，相當于軟件系統(tǒng)中的中樞，在本次設計中，按照我的編程思路，主程序主要完成初始化，鍵盤設定閾值溫度，設好后進入溫度采集模塊，并顯示實時溫度，再進入 PID 環(huán)節(jié) 進行運算，來控制 PWM 波的輸出對溫度進行調節(jié)，每執(zhí)行一次都要判斷是否需要返回重新設置閾值溫度，若是需要，則返回到設置溫度環(huán)節(jié)，否則 則是重復執(zhí)行上述過程 [8]。 圖 51 主程序流程圖 13 PID 模塊流程圖的搭建 PID 模塊是本次設計的一個亮點和重點模塊，因為本次畢業(yè)設計重在要求用PID 算法來控制溫度變化達到恒溫的目的，所以 PID 模塊的編寫成為了本次設計的重中之重，根據(jù)之前所學自動控制原理，搭建系統(tǒng)閉環(huán)流程圖，并且根據(jù)其算法來進行編程。如下圖 52 為 PID 環(huán)節(jié)。本次設計中， 設計為每 50毫秒進一次定時器中斷，調節(jié)周期為 5秒， 同時 僅當進入 PID調節(jié)時候 （即檢測溫度與閾值溫度之差為 15攝氏度以內(nèi)的時候） 才會開啟定時器中斷， 來進行 PWM 波的占空比調節(jié)。 如下圖 53 是定時器中斷的流程 [9]： 14 圖 53 時器中斷流程圖 軟件模塊的設計中心就是圍繞以上三個大部分，如其他的溫度采集模塊，鍵盤模塊以及顯示模塊都是作為一種不可少 ， 但是不作為核心來出現(xiàn) 的，在此處 就不一一論述，總之，軟件是一個系統(tǒng)的大腦，只有大腦好，整個系統(tǒng)工作才會完美 ，對于一個合格的系統(tǒng)設計者來講，只有有著嫻熟的編程能力才能勝任系統(tǒng)的完美開發(fā) 。 溫度時間變化曲線的繪制 系統(tǒng)進行調試，由于本系統(tǒng)主要是看水溫的變化與時間的關系，所以記錄實驗現(xiàn)象時候，分別選取了閾值溫度為 55 度以及 60 度時候記錄了相應的數(shù)據(jù)，來繪制溫度時間變化曲線，如下 ： 表 61 閾值溫度為 55 度時候的溫度時間關系 時間（ min） 0 1 2 3 4 5 6 溫度值（ 度 ） 25 26 29 33 37 42 45 48 50 51 52 53 54 時間（ min） 7 8 9 10 11 溫度值（ 度 ） 55 55 55 55 55 下圖 61 根據(jù)上表所繪制的溫度時間變化曲線 ： 溫度變化曲線01020304050600 2 4 6 8 10 12時間( 分鐘）溫度值(攝氏度）系列1 圖 61 閾值溫度為 55度時的溫度時間變化曲線 16 表 62 閾值溫度為 60 度時候的溫度時間關系 時間（ min） 0 1 2 3 4 5 6 溫 度值（ 度 ） 26 28 30 34 38 43 47 50 53 54 56 67 58 時間（ min） 7 8 9 10 11 溫 度值（ 度 ） 59 60 60 60 60 60 59 59 60 60 60 下圖 62 為根據(jù)上表所繪制的溫度時間變化曲線 ： 溫度變化曲線0102030405060700 2 4 6 8 10 12時間（分鐘）溫度（攝氏度)系列1 圖 62 閾值溫度為 60度時 的溫度時間變化曲線 分析曲線并獲得相應結論 通過上面兩條溫度時間變化曲線的繪制，不難發(fā)現(xiàn)，本次設計的恒溫控制系統(tǒng)很完美的實現(xiàn)了所預定的目標。 18 第 7 章 結 論 通過本次 的設計，使我們不僅對單片機這門課程有了更深刻的認一識，懂得 了如何運用課本 知識結合實際來完成定時器的顯示和編程方法以及數(shù)碼顯示電路的驅動力一法，使我們能夠很快的適應現(xiàn)代控制技術發(fā)展的需求，同時也提高了 我們的思維能力和實際操作能力，為以后更好的走上工作崗位奠定 了 堅實的基礎 。整個系統(tǒng)結構緊湊、所用芯片少、控制精度高。 在軟件上，基于 89C51 單片機的算法的溫度控制系統(tǒng)采用了經(jīng)典的 89C51 單片機的算法， 從某個角度上說這種算法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制算法，有更穩(wěn)定、