【正文】 與上位機通訊 14第3章 恒溫控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(jié)論 35參考文獻(xiàn) 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(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復(fù)雜，器件太多，往往很難達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)、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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配合相應(yīng)的可控硅控制電路來完成功率的調(diào)控。因此本設(shè)計采用若繼電接觸器控制系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)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(lǐng)域中應(yīng)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(dāng)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(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)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(zhǔn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhǔn)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(shè)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(shè)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(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)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(dá)設(shè)定的目標(biāo)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(shè)置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)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(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓Vt，PLC自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù)Vt的大小計算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)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(yīng)的恒溫控制。 方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖 設(shè)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(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)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(shè)計控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。為了使設(shè)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(jìn)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(dá)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(fù)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(guān)，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(shè)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(shè)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(jì)的。這樣，1個89S52，承擔(dān)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(jié)構(gòu)和軟件設(shè)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(fù)位信號當(dāng)輸入的復(fù)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(fù)位操作。 地線 +5V電源 AT89S52單片機時鐘和復(fù)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(shè)計電路板時，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機，以避免干擾。（a）上電復(fù)位： 在加電之后通過外部復(fù)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(fù)位操作的要求。RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時間過長，單片機將處于循環(huán)復(fù)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(fù)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(shè)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(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，℃/LSB形式表達(dá)，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(dāng)輸入交流電源電壓波動、負(fù)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(shè)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(fù)位鍵，與R、C構(gòu)成復(fù)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(jìn)行通信電路的設(shè)計。因此只需要配一些驅(qū)動、隔離電路就可以構(gòu)成了洋分布式系統(tǒng)，由于MCS51單片機串行口是標(biāo)準(zhǔn)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(hù)的要求和通信協(xié)議規(guī)定，對8250進(jìn)行初始化。由于從機MCS51的格式固定為四種方式，本設(shè)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(shè)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(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進(jìn)行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(xué)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(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。以達(dá)到控制器的特性與被控過程的特性相匹配,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。 （2）從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。（3）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾