武汉理工大学计控课设温度控制系统设计.docx

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1、学号：04或像破）火孚课程设计题目温度限制系统的设计学院自动化学院专业自动化专业班级自动化1005班姓名柳元辉指导老师向懈副教授2013年6月23日课程设计任务书学生姓名：柳元辉专业班级:自动化1005班指导老师：向尴副教授工作单位:自动化学院题目：温度限制系统设计初始条件：被控对象为电炉，采纳热阻丝加热，利用大功率可控硅限制器限制热阻丝两端所加的电压大小，来变更流经热阻丝的电流，从而变更电炉炉内的温度。可控硅限制器输入为05伏时对应电炉温度0300C,温度传感器测量值对应也为05伏，对象特性为二阶惯性系统，惯性时间常数均为20秒。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量与其技术要求，以与说明

2、书撰写等具体要求）1 .设计温度限制系统的计算机硬件系统，画出框图；2 .编写积分分别PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T与B的值；3 .通过数据分析Td变更时对系统超调量的影响。4 .撰写设计说明书。时间支配：6月26日查阅和打算相关技术资料，完成整体方案设计6月27日一6月28日完成硬件设计6月29日一6月30日编写调试程序7月1日7月4日撰写课程设计说明书7月5日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导老师签名:系主任（或责任老师）签名：年月日书目1设计任务与要求22方案比较论证33系统硬件设计53.1 系统硬件结构53.2 系统硬件的选择53.3 系统硬件连接图64系统软件设计

3、74.1确定程序流程74.2程序限制算法介绍85系统仿真116心得体会15摘要温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变更和化学反应过程都与温度亲密相关，因此温度限制是生产自动化的重要任务。对于不同生产状况和工艺要求下的温度限制，所采纳的加热方式，燃料，限制方案也有所不同。随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增加，很多高性能的新型机种不断涌现出来。本文主要介绍了利用8051为主限制电路实现的炉温调整限制系统，具体阐述了系统的功能，硬件组成以与软件设计，利用热电偶采集温度信号经D转换器转化后与给定信号送入微机系统，系统分析限制算法，信号再经D/A转换后限制调整可控硅限制器来变更

4、炉内的温度。关键字：8051；PID；二阶系统；积分分别；仿真温度限制系统设计1设计任务与要求被控对象为电炉，采纳热阻丝加热，利用大功率可控硅限制器限制热阻丝两端所加的电压大小，来变更流经热阻丝的电流，从而变更电炉炉内的温度。可控硅限制器输入为O5伏时对应电炉温度0300,温度传感器测量值对应也为。5伏，对象的特性为二阶惯性系统，惯性时间常数为T=20秒。要求完成的主要任务(1)设计温度限制系统的计算机硬件系统，画出框图；(2)编写积分分别PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T与B的值；(3)通过数据分析Td变更时对系统超调量的影响。2方案比较论证用温度传感器来检测炉的温度，将炉温转变

5、成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由电阻网络讲电流信号变成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号送入计算机程序中作比较，得出给定值与实际值之间的偏差，并与进行比较，从而确定算法。计算得到的限制量输出给可控硅限制器，变更可控硅的导通角，达到调压的目的，是电阻丝两端的电压增大或较小，进而实现对炉温的限制。下面有两个方案：方案一：热电偶温度自动限制系统。方案二：数字温度传感器温度限制系统。这两个方案都是采纳单片机限制，两个方案的比较部分为温度检测部分。方案一温度检测部分检测部分采纳热电偶，它须要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出

6、电压只有几毫负，必需经过放大处理才能A/D转换和D/A转换器接口，若采纳8位A/D转换器，ADCO809则输人端需采纳仪用放大器，把几毫伏的电压信号放大到5伏左右。由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必需通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。这种系统具有测量温度范围可以从零下一百度到早上千摄氏度，而且有很多热电偶精度特别高这是这种测量系统的优点。但构成系统困难，抗干扰实力不强。方案二采纳数字温度传感器DS18B20,它的最高辨别率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度。它具有干脆输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只须要一位I/O口，因此由它构成的系统简洁运

7、用，由于DS18B20,依据工业设计要求设计，抗干扰性能强。但温度测量范围从-55摄氏度-125摄氏度。依据设计要求，综合考虑选择方案一。主要的限制芯片采纳8051,要求传感器测量的电压范围和可控硅限制器的电压在0-5,所以D与D/A转换芯片采纳ADeo809和DAeo832。炉温限制在0300C内，因此采纳银铭-铜银热电偶，同时选用运算放大器将信号放大。由以上分析限制过程，可以得到如图1的系统结构框图：图1系统结构框图炉温信号T通过温度检测与变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差e和温度的变更率dedt,再由智能限制算法进行推理，并得限制量u,可控硅输出部分依据调整电加热炉的输

8、出功率，即变更可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到志向的设定值。3.1系统硬件结构ADC0809的INTO端口所连接的电阻起到给定预定值的作用，通过调整滑动变阻器划片的位置，变更INTO端口的电压，该电压通过0809转换为数字量被计算机读取。将一个0-5V的电压表连接到可变电阻上，测量其电压，再将其表盘改装为温度表盘，即将原来的0-5V的刻度匀称分为300份，每一份代表1,则可以读取预定的温度值。ADCo809的INTl端口与热电偶相连。由8051构成的核心限制器按智能限制算法进行推算，得出所须要的限制量。由单片机的输出通过调整可控硅管的接通时间，变更电炉的输出功率，起到调温的作用。3.

9、 2系统硬件的选择微型计算机的选择：选择8051单片机构成炉温限制系统。它具有8位CPU,32根I/O线，4kB片内ROM存储器，128kB的RAM存储器。8051对温度是通过可控硅调整器实现的。在系统开发过程中修改程序简洁，可以大大缩短开发周期。同时:系统工作过程中能有效地保存一些数据信息，不受系统掉电或断电等突发状况的影响。8051单片机内部有128B的RAM存储器，不够本系统运用，因此，采纳62648kB的RAM作为外部数据存储器。热电偶的选择：本设计采纳热电偶一银络-铜硅热电偶线性度较好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜对温度进行检测。银铭-铜银热电偶在

10、300时的热点势21.033mV,为满意0-5V的要求，需将其放大238倍，再通过DC0809将其转换为数字量被计算机读取，通过软件程序对数据进行处理，将处理的结果经DC0832输出量限制可控硅限制器，从而变更电阻丝两端的电压，使炉温得到限制。3.3系统硬件连接图综合以上分析，可以得出系统的硬件连接图如图2所示:R辨多於4. 1确定程序流程比例限制能快速反应误差，从而减小误差，但比例积分不能消退误差,KP的加大会引起系统的不稳定；积分限制的作用是：只要系统存在误差，积分限制作用就不断地积累，输出限制量以消退误差，因而，只要时间足够，积分限制将能完全消退误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使

11、系统出现振荡；微分限制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。在微分限制中，限制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变更率）成正比关系。自动限制系统在克服误差的调整过程中可能会出现振荡甚至失稳。其缘由是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变更总是落后于误差的变更。解决的方法是使抑制误差的作用的变更“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应当是零。这就是说，在限制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前须要增加的是“微分项”，它能预料误差变更的趋势，这样，具有

12、比例微分的限制器，就能够提前使抑制误差的限制作用等于零，甚至为负值，从而避开了被控量的严峻超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分PD限制器能改善系统在调整过程中的动态特性。在一般的PID限制中，当有较大的扰动或大幅度变更给定值时，由于此时有较大的偏差，以与系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特殊对于温度等变更缓慢的过程，这一现象更为严峻，为此，可采纳积分分别措施，即偏差ek较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。亦即当ek时，采纳PD限制；当ek时，采纳PID限制。积分分别阈值应依据具体对象与限制要求。若值过大时，则达不到积分分别的目

13、的；若值过小，则一旦被控量yt无法跳出个积分分别区,只进行PD限制，将会出现残差，为了实现积分分别，编写程序时必需从数字PID差分方程式中分别出积分项，进行特殊处理。依据设计要求与所选硬件，程序流程如图3所示图3程序的主流程图4.2程序限制算法介绍由以上分析，P本次设计采纳的是积分分别PlD限制算法，ID调整时连续系统中技术中最成熟的，应用广泛的一种调整限制方式。在模拟限制系统中，PID算法的表达为：y=Kp附+”)力+”等式中，y：调整器的输出信号e(f)：调整器的偏差信号Kp:调整器的比例系数力调整器的积分时间调整器的微分时间在计算机限制系统中，PID限制规律的实现必需用数值靠近的方法。当

14、采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟Pn)离散化变为差分方程。用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。设系统的采样周期为T,在t=kT时刻进行采样，/=Ode(t)ek)-e(左一1)dtT式中e(k)：依据本次采样值所得到的偏差；由上次采样所得到的偏差。由以上可得：zvvrLT白f.e(k)-e(k-l)U(k)=Kpe(k)+2,e()+1Ili=O1UZ1,V-1e(k)-e(k-l)=KPe(k)+或*()+kdi=01式中，T为采样时间，夕项为积分项的开关系数e(k) e(k)P积分积分分别PID限制算法程序框图如图4所示:U 返回二）图4积分分别PID限

15、制算法程序框图又已知惯性常数T=20秒，所以被控对象的传递函数为：G(三):-_F(1+201-1+405+400/采纳Simulink仿真,通过simulink模块实现积分分别PID限制算法。选择合适的Kp,Tlf7；是系统的仿真效果趋于志向状态。MATLAB编写程序如下：clearall;closeall;ts=2;%采样时间2ssys=tf(l,400,40,1);dsys=c2d(sys,ts,zoh,);%将sys离散化num,den=tfdata(dsys,v,);%求sys多项式模型参数kp=5;ki=0.25;%即7；kd=5;%即当B值过大时，达不到积分分别的目的，若P值过小，则一旦被控量无法跳出各积分分别区，只进行PD限制，将会出现残差。依据题意，故选取=0.2为积分分别阈值。运用凑试法确定较合适的PID参数，可以得到kp=5ki=0.25、kd=5较合适的参数值。当kd=5时，据Kd=KpTd/Ti此时4二2。保持其他参数不变，只变更