【正文】 10 整流濾波電路 10 穩(wěn)壓電路 10 鍵盤和顯示電路 12 加溫控制電路 13 與上位機通訊 14第3章 恒溫控制系統(tǒng)軟件設計 14 PID調(diào)節(jié)器控制原理 14 位置式PID算法 15 數(shù)字PID參數(shù)整定 15 采樣周期的選擇 16 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 17 PID計算程序 18第4章 MATLAB仿真 29 SIMULINK簡介 29 系統(tǒng)仿真方框圖 30 穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù) 30結論 35參考文獻 36致謝 37附錄 38第1章 緒論 引言電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時變性的特點。應用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復雜，器件太多，往往很難達到理想的控制效果。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標準，同時控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器和執(zhí)行機構都不一樣。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。傳統(tǒng)的PID控制電路結構復雜，需配合相應的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控。因此本設計采用若繼電接觸器控制系統(tǒng)。隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷地增強，許多高性能的新型機種不斷的涌現(xiàn)出來，單片機以其集成度高、功能強、體積小可靠性高、價格低和開發(fā)周期短等特點，成為自動化和各個測控領域中應用廣泛的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中，稱為必不可少的器件，尤其是在當要求控制精度高，而成本低的社會里，往往都是采用單片機作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。而PID控制技術在現(xiàn)在最為成熟，控制結構簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)學模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用PID算法。PID調(diào)節(jié)器的三個基本參數(shù)kp(比例系數(shù))、ki（積分系數(shù)）、kd(微分系數(shù))是選擇非常重要，它將直接影響一個控制系統(tǒng)的準確性。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。積分調(diào)節(jié)輸出為一常值，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti. Ti越小，積分時間就越強；反之Ti越大，積分時間就越弱。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用對噪音干擾有放大作用，因此過強的加微分環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。 方案的論證無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對溫度的檢測和控制都是必不可少的，對于溫度的檢測通常是采用熱敏電阻在通過A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，但由于信號的采集對整個系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會使這個系統(tǒng)準確性下降。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線。綜合各方面的意見，本設計采用單片機來實現(xiàn)溫度的控制。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)設置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機作為微處理器。單片機結合現(xiàn)場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經(jīng)編程固化的模糊控制算法計算出實時控制量。在溫度到達設定的目標溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較，作出相應的控制，開啟加熱器。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實時顯示。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行比較，構成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓Vt，PLC自適應恒溫控制電路，根據(jù)Vt的大小計算出全通、間接導通和全斷的自適應恒溫控制電路，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)自適應的恒溫控制。 方案二的系統(tǒng)結構框圖 方案三利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)基于模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成。 方案三的系統(tǒng)結構框圖 設計方案 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，當控制規(guī)律較為復雜時，就難以甚至無法實現(xiàn)。 計算機具有分時控制能力，可實現(xiàn)多回路控制。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺計算機對不同的回路實現(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。綜合考慮，本設計控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。為了使設計的成本低、抗干擾強，系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下，：通過單片機對偏差進行PID運算，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)加熱功率即可達到控制溫度恒定的目的。而主控器采用低功耗、高性能、片內(nèi)含8k byte可反復檫寫的Flash 、只讀程序器CMOS8位單片機AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動；單片機所需要的+5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到?？紤]到系統(tǒng)對傳輸速度的要求不高，在PCA機上設定和實時顯示溫度，系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口，下面對硬件電路作具體的設計。由于它的廣泛使用使得市面價格較8158258279要低，所以說用它是很經(jīng)濟的。這樣，1個89S52，承擔了3個專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優(yōu)化了硬件結構和軟件設計，給用戶帶來許多方便。所以可以降低成本。 AT89S52單片機信號引腳介紹[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。 外部程序存儲器讀選通信號在讀外部ROM時, 有效(低電平),以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。RST 復位信號當輸入的復位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位操作。 地線 +5V電源 AT89S52單片機時鐘和復位電路時鐘電路單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運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。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠近單片機，以避免干擾。（a）上電復位： 在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復位操作的要求。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。電平復位將復位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復位的。、C的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環(huán)復位狀態(tài)。 溫度傳感器溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。這種模擬數(shù)字混合電路實現(xiàn)起來比較復雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮，本設計采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。C～+125176。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。用于將采集到的溫度送入單片機中處理，即可完成溫度采集部分硬件電路。 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位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，℃/LSB形式表達，其中S為符號位。電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分[1]。然后再送去整流和濾波。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路。 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)壓電路的作用是當輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。 鍵盤和顯示電路 。其中設置鍵與單片機的腳相連，、YES、NO用四行三列接單片機P0口，REST鍵為硬件復位鍵，與R、C構成復位電路。用P2口作為段控碼輸出，并用74HC244作驅(qū)動。： 顯示接口電路 加熱控制電路。對電爐絲通斷的控制采用SSR40DA固態(tài)繼電器。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。所以要進行通信電路的設計。因此只需要配一些驅(qū)動、隔離電路就可以構成了洋分布式系統(tǒng)，由于MCS51單片機串行口是標準的TTL電平，為使其與RS232電平接口，在MCS51單片機串行口聯(lián)有1488和1489，以實現(xiàn)電平匹配。 PC機與單片機的接口電路 在主機通信軟件中，首先根據(jù)擁護的要求和通信協(xié)議規(guī)定，對8250進行初始化。由于從機MCS51的格式固定為四種方式，本設計采用方式3。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用查詢方式，在發(fā)送時，先用輸入指令檢查發(fā)送器的保持寄存器是否為空。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)。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。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)。比例控制： Gc(s)= Kp （2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。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。設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式 ()式中 ， 。位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。以達到控制器的特性與