課程設(shè)計(jì)--單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 設(shè)計(jì)思路1</p><p>　　1.1 方案的論證1</p><p>　　1.1.1利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)2</p><p>　　1.1.2利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)2</p><p>　　1.1.3利用模擬PI

2、D調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)3</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)方案3</p><p>　　第2章 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介5</p><p>　　2.1.1 AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介5</p><p>　　2.1.2 AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹6&

3、lt;/p><p>　　2.1.3 AT89S52單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路6</p><p>　　2.2溫度傳感器7</p><p><b>　　2.3電源電路8</b></p><p>　　2.3.1 電源變壓器9</p><p>　　2.3.2 整流濾波電路9</p><

4、;p>　　2.3.3 穩(wěn)壓電路9</p><p>　　2.4 鍵盤和顯示電路9</p><p>　　2.5 加熱控制電路10</p><p>　　2.6與上位機(jī)通訊11</p><p>　　第3章 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理13</p>

5、<p>　　3.2 位置式PID算法14</p><p>　　3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定14</p><p>　　3.3.1 采樣周期選擇的原則15</p><p>　　3.3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響16</p><p>　　3.4 PID計(jì)算程序17</p><p>　　第4章 系統(tǒng)

6、仿真與檢測(cè)27</p><p>　　4.1系統(tǒng)仿真方框圖27</p><p>　　4.2穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)28</p><p><b>　　總結(jié)31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　第1章 設(shè)計(jì)思

7、路</b></p><p><b>　　1.1 方案的論證</b></p><p>　　無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還是日常生活中，對(duì)溫度的檢測(cè)和控制都是必不可少的，對(duì)于溫度的檢測(cè)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(hào)，但由于信號(hào)的采集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大，如果采樣精度不高，會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性下降。因此本次設(shè)計(jì)采用高精度的溫度傳感器：數(shù)字溫度傳感

8、器DS18B20。這種數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線，。而對(duì)于溫度控制的方法也有很多：如單片機(jī)控制、PLC控制、模擬PID調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等。綜合各方面的意見，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。</p><p>　　1.1.1利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)</p><p>　　利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度恒定的控制，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫

9、度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與報(bào)警裝置和系統(tǒng)核心AT89S52單片機(jī)作為微處理器。</p><p>　　圖1.1 方案一的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場(chǎng)溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控制量控制固態(tài)繼電器開通和關(guān)斷，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使溫度逐步穩(wěn)定于用戶

10、設(shè)定的目標(biāo)值。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(shí)，單片機(jī)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。當(dāng)用戶需要比實(shí)時(shí)溫度低的溫度時(shí)，此電路可以利用風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　1.1.2利用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)</p><p>　　利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度恒定的控制，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2

11、所示：采用PLC控制實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自動(dòng)控制方式，來達(dá)到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測(cè)對(duì)象中，熱電偶的傳感器信號(hào)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(jì)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(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過快，PLC也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹

12、配的輸入信號(hào)。</p><p>　　圖1.2 方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　1.1.3利用模擬PID調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)</p><p>　　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，其控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖如圖1.3所示。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計(jì)算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確

13、對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓值于熱敏電阻實(shí)際測(cè)量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過PID電路后，獲得一個(gè)控制量給制冷元件構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)際測(cè)量的電壓值并顯示在液晶屏上。</p><p>　　圖1.3 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　控制模塊的選擇，數(shù)字比較器與模擬控制器相比較

14、，數(shù)字比較器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1、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(shí)，就難以甚至無法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律的控制。</p><p>　　2、計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制。</p><p>　　3、數(shù)字控制器具有靈活性。起控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方

15、式一般只可改變控制程序即可，使用起來簡(jiǎn)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。</p><p>　　4、采用計(jì)算機(jī)除實(shí)現(xiàn)PID數(shù)字控制外，還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。綜合考慮，本設(shè)計(jì)控制模塊采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的；而對(duì)

16、于方案二，采用PLC實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于PLC成本高，且PLC是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)，由于數(shù)字PID調(diào)節(jié)，運(yùn)算量大，只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到較好的效果。為了使設(shè)計(jì)的成本低、抗干擾強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能好的前提下，設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.4所示：通過單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0—8V電壓信號(hào)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

17、恒定的目的。</p><p>　　圖1.4 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第2章 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　考慮到盡量降低成本和避免與復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。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(jī)AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的

18、單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)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。實(shí)時(shí)控制的顯示器、鍵盤通過單片機(jī)來完成鍵盤掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示。考慮到系統(tǒng)對(duì)傳輸速度的要求不高，在PCA機(jī)上設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示溫度，系統(tǒng)配有RS232串行通訊端口，下面對(duì)硬件電路作具體的設(shè)計(jì)。</p><

19、p>　　2.1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1.1 AT89S52單片機(jī)資源簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89S52的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由于它的廣泛使用使得市面價(jià)格較8155、8255、8279要低，所以說用它是很經(jīng)濟(jì)的。該芯片具有如下功能：①有1個(gè)專用的鍵盤/顯示接口；②有1個(gè)全雙工異步串行通信接口；③有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。這樣，1個(gè)89S52，承擔(dān)了

20、3個(gè)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(jì)，給用戶帶來許多方便。</p><p>　　89S52有40個(gè)引腳，有32個(gè)輸入端口（I/O），有2個(gè)讀寫口線，可以反復(fù)插除。所以可以降低成本。</p><p><b>　　主要功能特性： </b></p><p>　?。?）兼容MCS51指令系統(tǒng)</p>&

21、lt;p>　?。?）32個(gè)雙向I/O口線</p><p>　　（3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷</p><p>　　（4）2個(gè)串行中斷口 </p><p>　?。?）2個(gè)外部中斷源</p><p>　?。?）2個(gè)讀寫中斷口線</p><p>　　

22、（7）低功耗空閑和掉電模式</p><p>　?。?）8k可反復(fù)擦寫(>1000次)Flash ROM</p><p>　?。?）256x8 bit內(nèi)部RAM</p><p>　?。?0）時(shí)鐘頻率0-24MHz</p><p>　?。?1）可編程UART串行通道</p><p>　　（12）共6個(gè)中斷源</

23、p><p><b>　?。?3）3級(jí)加密位</b></p><p>　?。?4）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。</p><p>　　2.1.2 AT89S52單片機(jī)信號(hào)引腳介紹</p><p><b>　　輸入輸出口線</b></p><p>　　～ 口8位雙向口線</p&g

24、t;<p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　～ 口8位雙向口線</p><p>　　ALE 地址鎖存控制信號(hào)</p><p>　　在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí),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(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外由于ALE是以六分之一

25、晶振頻率的固定頻率輸出正脈沖,因此可作為外部定時(shí)脈沖使用。</p><p>　　外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)</p><p>　　在讀外部ROM時(shí), 有效(低電平),以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。</p><p>　　訪問程序存儲(chǔ)趨控制信號(hào)</p><p>　　但信號(hào)為低電平時(shí),對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí),則對(duì)ROM

26、的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始,并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　RST 復(fù)位信號(hào)</p><p>　　當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位操作。</p><p>　　和 外接晶體引線端</p><p>　　當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用語外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘

27、時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。</p><p><b>　　地線</b></p><p><b>　　+5V電源</b></p><p>　　2.1.3 AT89S52單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路</p><p><b>　　時(shí)鐘電路</b></p><p>　　

28、單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)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。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振

29、蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖2.2所示</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。</p><p><b>　?。╝）上電復(fù)位：&

30、lt;/b></p><p>　　在加電之后通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)纳仙龝r(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。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(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。</p><p><b>　　(b) 按鍵復(fù)位：</b></p><p>　　程序運(yùn)行

31、出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位（圖2.3）和按鍵電平復(fù)位。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。</p><p><b>　　(c) 注意：</b></p><p>　　因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用RC微分電路

32、產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過電阻與相連.如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過長(zhǎng)，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。</p><p><b>　　溫度傳感器</b></p><p>　　溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)

33、過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)再對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理[3]。這種模擬數(shù)字混合電路實(shí)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(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。</p><p>　　DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度的范圍為-55°C～+125°C，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20為3引腳，

34、 DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。</p><p>　　溫度采集電路模塊如圖2.4所示。DSB8B20的3腳接系統(tǒng)中單片機(jī)的P1.4口線，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中處理，2腳和3腳之間接一個(gè)4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p>

35、;<p>　　圖2.4 溫度采樣電路</p><p>　　DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表2.1。</p><p>　　表2.1 DS18B20溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表</p><p>　　這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)

36、據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。</p><p><b>　　2.3電源電路</b></p><p>　　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

37、[1]。電源電路如圖2.5所示。</p><p><b>　　圖2.5 電源電路</b></p><p>　　2.3.1 電源變壓器</p><p>　　變壓部分其實(shí)就是一個(gè)變壓器，變壓器作用是將220V的交流電壓變換成我們所需的電壓9V。然后再送去整流和濾波。</p><p>　　2.3.2 整流濾波電路</p&

38、gt;<p>　　整流電路將交流電壓變成單向脈動(dòng)的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動(dòng)電壓中的交流成份，合之成為平滑的直流電壓。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路。一般的整流有全波整流、單相半流整流、橋式整流、及變壓整流。</p><p>　　2.3.3 穩(wěn)壓電路</p><p>　　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

39、電源電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。集成穩(wěn)壓器、使用方便、性能穩(wěn)定、更重要的是考慮到它的價(jià)格低廉，因而我在此使用。 </p><p>　　2.4 鍵盤和顯示電路</p><p>　　模塊電路如下圖2.6。鍵盤采用行列式和外部中斷相結(jié)合的方法，各按鍵的功能定義如下表2.2。其中設(shè)置鍵與單片機(jī)的腳相連，、YES、NO用四行三列接單片機(jī)P0口，REST鍵為硬件復(fù)位鍵，與R、C

40、構(gòu)成復(fù)位電路。</p><p>　　表2.2 按鍵功能</p><p>　　圖2.6 鍵盤接口電路</p><p>　　顯示采用3位共陽LED動(dòng)態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個(gè)位及小數(shù)點(diǎn)后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74HC244作驅(qū)動(dòng)。P1.0—P1.2作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動(dòng)[4]。模塊電路如下圖2.7所示：</p>

41、<p>　　圖2.7 顯示接口電路</p><p>　　2.5 加熱控制電路</p><p>　　控制電路圖如下圖2.8。用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為電熱杯，采用對(duì)加在電熱杯兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的。對(duì)電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)

42、現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)的P1.3為高點(diǎn)平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.3為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作。</p><p>　　圖2.8 加熱控制電路</p><p><b>　　2.6與上位機(jī)通訊</b></p><p>　　由于系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)

43、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和顯示。所以要進(jìn)行通信電路的設(shè)計(jì)。PC機(jī)內(nèi)裝有異步通信適配器板，其主要的器件為8250UART芯片，它使PC機(jī)有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口通信接口的計(jì)算機(jī)或儀器設(shè)備通信，而MCS-51單片機(jī)本身具有全雙工的串行口。因此只需要配一些驅(qū)動(dòng)、隔離電路就可以構(gòu)成了洋分布式系統(tǒng)，其連接圖如圖2.9所示，由于MCS-51單片機(jī)串行口是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，為使其與RS-232電平接口，在MCS-51單片機(jī)串行口聯(lián)有1488和

44、1489，以實(shí)現(xiàn)電平匹配。由于1448的輸出端不能相互并聯(lián)，故加上一個(gè)二極管進(jìn)行隔離 [2]。</p><p>　　圖2.9 PC機(jī)與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　在主機(jī)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(duì)8250進(jìn)行初始化。設(shè)置的8250的初始化數(shù)據(jù)是：波特率為9000b/s；8位數(shù)據(jù)位；1位奇偶校正位；1位停止位。由于從機(jī)MCS-51的格式固定為四種方式，本設(shè)計(jì)采

45、用方式3。因此這里的奇偶校正位用做發(fā)送地址/數(shù)據(jù)特征位（1表示地址），而數(shù)據(jù)通訊的校正采用累加和校驗(yàn)法。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用查詢方式，其程序框圖如圖2.10所示，在發(fā)送時(shí)，先用輸入指令檢查發(fā)送器的保持寄存器是否為空。若為空，則輸出指令將一個(gè)數(shù)據(jù)輸出給8250，8250會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送到串行口通信線上。在接收時(shí)，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(shí)把“接收數(shù)據(jù)就緒”信號(hào)置于狀態(tài)寄存器中，CPU讀到這

46、個(gè)信號(hào)后，就用輸入指令從接收器中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖2.10 PC機(jī)通信軟件框圖</p><p>　　第3章 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 PID調(diào)節(jié)器控制原理</p><p>　　在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成

47、。</p><p>　　圖3.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差：</p><p>　　Error(t)=rin(t)-yout(t)</p><p>　　PID控制就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成一種控制規(guī)律。即，

48、控制器的輸出為：</p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：</p><p>　　左中， kp——比例系數(shù)；Ti——積分時(shí)間常數(shù)；T d——微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　簡(jiǎn)單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下[5]：</p><p>　　比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，

49、以減小偏差。</p><p>　　比例控制： Gc(s)= Kp </p><p>　　積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)盡弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　積分控制： Gc(s) = Kp/T is</p><p>　　微分環(huán)節(jié)：反偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能

50、在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　微分控制： Gc(s) =KpT ds</p><p>　　3.2 位置式PID算法 </p><p>　　基本PID控制器的理想算式為</p><p><b>　　式中</b></p>

51、<p>　　u(t)——控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；</p><p>　　e(t)——控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；</p><p>　　Kp——控制器的比例放大系數(shù)；</p><p>　　Ti ——控制器的積分時(shí)間；</p><p>　　Td——控制器的微分時(shí)間。</p>

52、<p>　　設(shè)u(k)為第k次采樣時(shí)刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式</p><p><b>　　式中 ， 。</b></p><p>　　由于計(jì)算機(jī)的輸出u(k)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門），u(k)的值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開度）一一對(duì)應(yīng)，所以通常稱式(2)為位置式PID控制算法。</p><p>　　位置式PID控制算法

53、的缺點(diǎn)：當(dāng)前采樣時(shí)刻的輸出與過去的各個(gè)狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，運(yùn)算量大；而且控制器的輸出u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化。</p><p>　　3.3 數(shù)字PID參數(shù)的整定 </p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。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(shí)間和

54、微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。本設(shè)計(jì)采用PID歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù)（Kc、Ti、Td,）轉(zhuǎn)換為一個(gè)參數(shù)， 從而使問題明顯簡(jiǎn)化。以達(dá)到控

55、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)。</p><p>　　3.3.1 采樣周期選擇的原則</p><p>　?。?）根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時(shí)系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號(hào)。 </p><p>　　（2）從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來看，有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時(shí)間。</

56、p><p>　　（3）從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。 </p><p>　?。?）從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來看，一般要求采樣周期大些。 </p><p>　　（5）從計(jì)算機(jī)的精度看，過短的采樣周期是不合適的。 </p><p>　?。?）當(dāng)系統(tǒng)滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)使滯后時(shí)間為采樣周期的整數(shù)倍</p>

57、<p>　　下表3.1列出了幾種常見的被測(cè)參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)?？晒┰O(shè)計(jì)時(shí)參考。實(shí)際上生產(chǎn)過程千差萬別，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一定就合適，可用試探法逐步調(diào)試確定。</p><p>　　表3.1 采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表</p><p>　　3.3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響</p><p>　　表3.2 PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響</p>

58、<p>　　綜上所述，（Kp、Ti、Td,）對(duì)系統(tǒng)的性能影響如表3.3所示：</p><p>　　表3.3 Kp、Ti和Td對(duì)系統(tǒng)的影響</p><p>　　3.4 PID計(jì)算程序 </p><p>　　PID調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為：</p><p>　　式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)，且</p>

59、<p><b>　　、</b></p><p>　　其中：為給定值，為被控變量；</p><p>　　為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)；</p><p><b>　　為比例系數(shù)；</b></p><p><b>　　為積分時(shí)間常數(shù)；</b></p><p

60、><b>　　微分時(shí)間常數(shù)。</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為T第n次采樣的輸入誤差為，且，輸出為，PID算法用的微分由差分代替，積分由代替，于是得到</p><p><b>　　、</b></p><p><b>　　寫成遞推形式為</b></p>

61、<p><b>　　△</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><

62、p>　　= </p><p>　　其中： </p><p>　　顯然，PID計(jì)算△只需要保留現(xiàn)時(shí)刻以及以前的兩個(gè)偏差量和。初始化程序初值通過采樣并根據(jù)參數(shù)、、以及、和計(jì)算△。</p><p>　　根據(jù)輸出控制增量△，

63、可求出本次控制輸出為</p><p>　　+△= </p><p>　　由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象，所以式中、、的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，工程上已經(jīng)積累了不少行之的參數(shù)整定方法。本設(shè)計(jì)采用Ziegler-Nichols提出的 PID歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常人為假定

64、約束條件，以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，令：</p><p>　　式中稱為臨界周期。在單純比例作用下（比例增益由小到大），是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益，這時(shí)的工作周期為臨界周期，則可以得到</p><p><b>　　△ =</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=

65、 </p><p>　　式中=0.2，=1.25[8] </p><p>　　從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個(gè)?？稍O(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整子程序，通過鍵盤輸入改變值，改變運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)滿足要求。</p><p>　　下面對(duì)PID運(yùn)算加以說明：</p><p>　　所有的數(shù)都變成定點(diǎn)

66、純小數(shù)進(jìn)行處理。</p><p>　　算式中的各項(xiàng)有正有負(fù)，以最高位作為符號(hào)位，最高位為0表示為正數(shù)，為1表示</p><p>　　負(fù)數(shù)。正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示，最后的計(jì)算以原碼輸出。</p><p>　　雙精度運(yùn)算，為了保證運(yùn)算精度，把單字節(jié)8位輸入采樣值和給定值都變成雙字節(jié)16位進(jìn)行計(jì)算，最后將運(yùn)算結(jié)果取成高8位有效值輸出。</p><p>

67、　　輸出控制量的限幅處理。為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的通斷處理，PID的輸出現(xiàn)在在0～250之間。大于250或小于0的控制量都是沒有意義的，因在算法上對(duì)進(jìn)行限幅，即</p><p><b>　　= </b></p><p>　　PID的計(jì)算公式采用位置式算法，計(jì)算公式為</p><p><b>　　+</b><

68、/p><p>　　= PID計(jì)算的程序流程圖圖3.2所指示；而參數(shù)內(nèi)存分配表如表3.4所列。</p><p>　　表3.4 參數(shù)內(nèi)存分配表</p><p>　　圖3.2 PID計(jì)算程序的流程圖</p><p>　　參照流程圖3.2編寫程序，程序如下：</

69、p><p>　　MOVR5，31H </p><p>　　MOVR4， 32H</p><p>　　MOVR3， 2AH </p><p>　　MOVR2， #00H</p><p>　　LACALLCPL1

70、 </p><p>　　LCALLDSUM </p><p>　　MOV39H， R7 </p><p>　　MOV3AH， R6</p><p>　　MOVR5， 35H </p><p>　　

71、MOVR4， 36H</p><p>　　MOVR0， #4AH</p><p>　　LCALLMULT1 </p><p>　　MOVR5，39H </p><p>　　MOVR4，3AH</p><p>　　MOV

72、R3，3BH</p><p>　　MOVR2，3CH</p><p>　　LCALLDSUM</p><p>　　MOVR5，33H</p><p>　　MOVR4，34H</p><p>　　MOVR0， #46H</p><p>　

73、　LCALLMULT1</p><p>　　MOVR5，49H</p><p>　　MOVR4，48H</p><p>　　MOVR3，4DH</p><p>　　MOVR2，4CH</p><p>　　LCALLDSUM</p><p>　　MO

74、V4AH，R7</p><p>　　MOV4BHR6</p><p>　　MOVR5，39H</p><p>　　MOVR4，3AH</p><p>　　MOVR3，3DH</p><p>　　MOVR2，3EH</p><p>　　

75、LCALLDSUM</p><p>　　MOVA，R7</p><p>　　MOVR5，A</p><p>　　MOVA，R6</p><p>　　MOVR4，A</p><p>　　MOVR3，3BH</p><p>　　MOVR

76、2，3CH</p><p>　　LCALLDSUM</p><p>　　MOVA，R7</p><p>　　MOVR5，A</p><p>　　MOVA，R6</p><p>　　MOVR4，A</p><p>　　MOVR3，3BH

77、</p><p>　　MOVR2，3CH</p><p>　　LCALLDSUM</p><p>　　MOVR5，37H</p><p>　　MOVR4，38H</p><p>　　MOVR0， #46H</p><p>　　LCALLMU

78、LT1</p><p>　　MOVR5，49H</p><p>　　MOVR4，48H</p><p>　　MOVR3，4AH</p><p>　　MOVR2，4BH</p><p>　　LCALLDSUM</p><p>　　MOVA，R

79、7</p><p>　　MOVR3，A</p><p>　　MOVA，R6</p><p>　　MOVR2，A</p><p>　　MOVR5，2FH</p><p>　　MOVR4，30H</p><p>　　LCALLDSUM</

80、p><p>　　MOV2FH，R7</p><p>　　MOV30H，R6</p><p>　　MOV3DH，3BH</p><p>　　MOV3EH，3CH</p><p>　　MOV3BH，39H</p><p>　　MOV3CH，3A

81、H</p><p>　　MOVA，2FH</p><p>　　JNBACC.7CONt1</p><p>　　MOV45H,#00H</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　CONt1:MOVA,30H</p>

82、<p><b>　　RLCA</b></p><p>　　MOVA,2FH</p><p><b>　　RLCA</b></p><p>　　MOVR2,A</p><p>　　SUBBA,#OFAH</p><p>　

83、　JNCCONt2</p><p>　　MOV45H,R2</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　CONt2：MOV45H,#0FAH</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　負(fù)數(shù)雙字節(jié)-（R3R2

84、）求補(bǔ)，結(jié)果仍存放于R3R2中，其子程序如下：</p><p>　　CPL1： MOVA,R2</p><p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDA，#01H</p><p>　　MOVR2，A</p><p>　　MOVA，

85、R3</p><p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDCA，#00H</p><p>　　MOVR3，A</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　雙字節(jié)加法（R5R4）+（R3R2）（R7R6）。其子程序如

86、下：</p><p>　　DSUM：MOVA，R4</p><p>　　ADDA，R2</p><p>　　MOVR6，A</p><p>　　MOVA，R5</p><p>　　ADDCA，R3</p><p>　　MOVR7， A&l

87、t;/p><p><b>　　RET</b></p><p>　　雙字節(jié)無符號(hào)乘法子程序：</p><p>　　入口（R7R6）=被乘數(shù)；</p><p>　?。≧5R4）=乘數(shù)。</p><p>　　出口（R0）=乘積的4字節(jié)地址指針。</p><p>　　工作寄存器 R3

88、，R2。</p><p>　　豎式乘法過程表示為：</p><p><b>　　R7 R6</b></p><p>　?。?R5 R4</p><p>　　H64 L64R6R4</p><p>　　H74 L74R7R4</p><p>　　

89、H74 L74R5R6 </p><p>　　+） H75 L75</p><p>　?。≧0+3） （R0+2） （R0+1） RO乘積存儲(chǔ)單元</p><p>　　MULT：MOVA，R6</p><p>　　MOVB，R4</p><p><

90、b>　　MULAB</b></p><p>　　MOV＠RO,A</p><p>　　MOVR3,B</p><p>　　MOVA,R4</p><p>　　MOVB，R7</p><p><b>　　MULAB</b></

91、p><p>　　ADDA,R3</p><p>　　MOVR3,A</p><p>　　MOVA,B</p><p>　　ADDCA,#00H</p><p>　　MOVR2,A</p><p>　　MOVA,R6</p>&l

92、t;p>　　MOVB,R5</p><p><b>　　MULAB</b></p><p>　　ADD A,R3</p><p><b>　　INCR0</b></p><p>　　MOV＠RO,A</p><p><

93、;b>　　CLRF0</b></p><p>　　MOV A,R2</p><p>　　ADDC A,B</p><p>　　MOV R2,A</p><p>　　JNC LAST</p><p>　　SETB F0</p

94、><p>　　LAST: MOV A,R7</p><p>　　MOV B, R5</p><p>　　MUL AB</p><p>　　ADD A,R2</p><p>　　INC RO </p><p>　　MOV

95、 @RO, A</p><p>　　MOV A, B</p><p>　　ADDC A, #00H</p><p>　　INC R0</p><p>　　MOV @R0, A</p><p><b>　　RET</b>

96、;</p><p>　　雙字節(jié)帶符號(hào)數(shù)乘法子程序:</p><p>　　帶符號(hào)數(shù)用補(bǔ)碼表示,最高位1表示負(fù)數(shù),為0表示正數(shù).</p><p>　　入口（R7R6）=被乘數(shù)；</p><p>　　（R5R4）=乘數(shù)；</p><p>　　SIGN1標(biāo)號(hào)位地址5CH；</p><p>　　SIGN2

97、標(biāo)號(hào)位地址5DH。</p><p>　　出口（R0）=乘積的4字節(jié)地址指針。</p><p>　　雙節(jié)帶符號(hào)程序流程圖如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 雙字節(jié)帶符號(hào)程序流程圖</p><p>　　MULT1：MOVA，R7</p><p><b>　　RLCA</b&g

98、t;</p><p>　　MOVSIGN1，C</p><p>　　JNCPOS1</p><p>　　MOVA， R6</p><p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADD A， #01H</p>

99、<p>　　MOVR6，A</p><p>　　MOVA，R7</p><p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDC A，#00H</p><p>　　MOVR7，A</p><p>　　POS1： MO

100、VA，R5</p><p>　　RLCA</p><p>　　MOVSIGN1，C</p><p>　　JNCPOS2</p><p>　　MOVA， R4</p><p><b>　　CPLA</b></p><

101、p>　　ADD A， #01H</p><p>　　MOVR4，A</p><p>　　MOVA，R5</p><p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDC A，#00H</p><p>　　MOV

102、R5，A</p><p>　　POS1： MOV2BH， R0</p><p>　　LACALL MULT</p><p>　　MOVC，SIGN1</p><p>　　ANLC，SIGN2</p><p><b>　　JCTPL</b&g

103、t;</p><p>　　MOVC，SIGN1</p><p>　　ORLC，SIGN2</p><p><b>　　JNCTPL</b></p><p>　　MOVRO，2BH</p><p>　　MOVA，＠R0</p><

104、;p><b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDA,#01H</p><p>　　MOV@RO,A</p><p><b>　　INCRO</b></p><p>　　MOVA,@RO</p><p><

105、b>　　CPLA</b></p><p>　　ADDCA,#00H</p><p>　　MOV@R0,A</p><p><b>　　INCRO</b></p><p>　　MOVA,@R0</p><p><b>　　CPL

106、A</b></p><p>　　ADDCA,#00H</p><p>　　MOV@RO,A</p><p><b>　　INCR0</b></p><p>　　MOVA,@R0</p><p><b>　　CPLA</b

107、></p><p>　　ADDCA,#00H</p><p>　　MOV@R0,A</p><p><b>　　TPL:RET</b></p><p>　　第4章 系統(tǒng)仿真與檢測(cè)</p><p>　　4.1系統(tǒng)仿真方框圖</p><p>　　

108、進(jìn)入SIMULINK環(huán)境，在元件庫里選擇所需要是元件，用鼠標(biāo)將器件連接起來，得到一個(gè)完整方框圖，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)仿真方框圖</p><p>　　4.2穩(wěn)定邊界法整定PID參數(shù)</p><p>　　使用邊界法整定PID參數(shù)分為一下幾個(gè)步驟：</p><p>　　將積分系數(shù)Ki和Kd 設(shè)為0，Kp置較小的值，

109、使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行。若系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，則采用其它校正方式。</p><p>　　逐漸增大比例系數(shù)Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即所謂臨界振蕩過程。記錄此時(shí)臨界振蕩增益Kp和振蕩周期T。</p><p>　　按照下表4.1所指示的經(jīng)驗(yàn)公式和校正裝置類型整定相應(yīng)的PID參數(shù)，然后再進(jìn)行仿真。</p><p>　　表4.1 穩(wěn)定邊界參數(shù)的計(jì)算公式</p>

110、<p>　　在SIMULINK下可以如下實(shí)現(xiàn)：先取較大的Kp1，使系統(tǒng)出現(xiàn)不溫度的增幅振蕩；然后采取折半取中的辦法尋找臨界增益。當(dāng)Kp1=2.5時(shí)系統(tǒng)放散；而當(dāng)Kp1=2是系統(tǒng)收斂；因此，只要當(dāng)Kp1處于2~2.5之間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)臨界振蕩。當(dāng)KP1=2.36時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，有如圖4.2所示的等幅振蕩的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4.2 等幅振蕩的階躍響應(yīng)曲線</p><

111、;p>　　此時(shí)Kp1=2.36，從圖3可以讀出曲線兩峰值之間的距離約為2s多一點(diǎn)，因此取T=2.1s。下一步即可算出按穩(wěn)定邊界法表6-21整定的PID參數(shù)了。在MATLAB Command Window下鍵入以下代碼：</p><p><b>　　%臨界增益</b></p><p>　　Kp=2.36；

112、 </p><p>　　%臨界振蕩周期T=2.1 </p><p>　　Kd=0.075×Kp1×T </p><p>　　Ki=1.

113、2×Kp1/T </p><p>　　Kp=0.6Kp </p><p>　　其中等式左邊的Kp1均為臨界增益時(shí)的Kp1,此時(shí)的PID參數(shù)為</p><p>　　Kd=0.075&

114、#215;Kp1×T=0.075×2.36×2.1=0.3717 </p><p>　　Ki=1.2×Kp1/T=1.2×2.36/2.1=1.348 </p><p>　　Kp=0.6Kp1=0.6×2.36=1.416 </p>

115、;<p>　　系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.3所示.</p><p>　　圖4.3 穩(wěn)定邊界法整定的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由于該系統(tǒng)的響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時(shí)間為8s就，具有快速性,可超調(diào)量大于60%，通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以得到表格如表4.2，如表所示，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能：</p><p>　　表4.2 PID參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系<

116、;/p><p>　　從表4.2，可以得到系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的參數(shù)，當(dāng)Kp=0.03，Ki=0.029，Kd=0.008時(shí)，系統(tǒng)無超調(diào)量，準(zhǔn)確性高且調(diào)節(jié)時(shí)間為30s具有快速性。在MATLAB中SIMULINK環(huán)境下仿真的結(jié)果如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 PID調(diào)節(jié)后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　Kp=0.03, Ki和 Kd仍是由穩(wěn)定邊界法整定得到

117、的。從圖4.3中可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)量都有所降低，滿足本次設(shè)計(jì)的要求。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)具有成本低，控制可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過驗(yàn)證該溫度控制系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期的控制要求。在做本課設(shè)的過程中我遇到了很多以前不知道或者一知半解的問題。通過查閱資料不但鞏固了舊有的知識(shí)，又學(xué)會(huì)了一些新的內(nèi)容。對(duì)我有很大的提高。</

118、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光，陳大欽. 模擬電子電路［M］．北京：高教育出版社，2004：335-336.</p><p>　　[2] 趙茂泰. 智能儀器原理及應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2006：130-132.</p><p>　　[3] 黃賢武，鄭筱霞. 傳感器原理

119、與應(yīng)用［M］．成都:電子科技大學(xué)出版社,高等教育出版社,2005:76-108.</p><p>　　[4] 清源計(jì)算機(jī)工作室. Protel99SE原理圖與PCB及仿真［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：113-122</p><p>　　[5] 黃堅(jiān). 自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社,2004:246-273.</p><p>　　[6]

120、張曉華. 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真欲CAD［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：124-140.</p><p>　　[7] 歐陽黎明. MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京：國防科技大學(xué)出版社，2001：203-227.</p><p>　　[8] 王幸之,鐘愛琴,王雷,王閃. AT89系列單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］．北京：北京航天大學(xué)出版社，2004：489-504.</p>