2022年温度控制系统设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学 号：电脑掌握技术课程设计题目温度掌握系统设计学 院专 业班 级姓 名指导老师名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计2022 年月日名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计课程设计任务书同学： _ 专业班级： _ 指导老师：周申培 工作单位： _ 题 目: 温度掌握系统设计初始条件：被控对象为电炉, 采纳热阻丝加热, 利用大功率可控

2、硅掌握器掌握热阻丝两端所加的电压大小, 来转变流经热阻丝的电流, 从而转变电炉炉内的温度； 可控硅掌握器输入为 05伏时对应电炉温度 0300,温度传感器测量值对应也为 惯性系统,惯性时间常数为 T140秒；05伏,对象的特性为积分加要求完成的主要任务 :包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等详细要求1设计温度掌握系统的电脑硬件系统,画出框图；2编写积分别离 PID算法程序,从键盘接受 Kp、Ti 、Td、T及的值；3电脑仿真被控对象,编写仿真程序；4通过数据分析 Td转变时对系统超调量的影响；5. 撰写设计说明书；课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、

3、硬件原理,电路图,采纳器件的功能说明；软件思想,流程,源程序；调 试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料,程序清单；总结；时间支配：2022 年 5 月 23 日 2022 年 6 月 3 日名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计摘要比例 -积分-微分掌握简称 PID 掌握,是掌握系统中应用最为广泛的一种掌握规律；实际运行的体会和理论的分析都说明,这种掌握规律对很多工业过程进行掌握时,都能得到中意的成效； 利用电脑可以很好地使用PID 算法对掌握对象进行掌握, 具有较高的精度,并且可

4、以很便利的转变 PID 参数,以到达不同的掌握成效；本设计的掌握对象为电炉,掌握量为电炉温度,利用单片机对大功率可控硅导通角的 掌握,可以很便利地转变电热丝两端的电压,从而起到调剂温度的作用；而热电偶协作单 片机编程,能够较精确地得到炉温,使单片机能够实时发出掌握信号,快速将炉温调剂为给定值；当外界显现干扰使炉温发生变化时,单片机能够通过 定值；PID 算法快速使炉温回到给为了使 PID 掌握更加稳固牢靠,本设计加入了积分别离的改良措施,当偏差较大时取 消积分作用,利用 PD 掌握快速使系统趋于稳固；当偏差小于某一个值时,加入积分作用,以排除静差；利用Matlab 软件,可以通过仿真得到Td

5、转变对系统超调量的影响；关键词 ：PID 掌握； Matlab；系统超调量名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计目录1 设计任务及要求 . 1.1 设计任务要求 . 1.2 任务要求分析 . 2 方案比较及认证 . 2.1 方案设计 . 2.2 方案认证 . 3 系统软件设计 . 3.1 PID 掌握算法 . 3.2 积分别离的 PID 掌握掌握算法 . 4 系统硬件设计 . 4.1 系统滤波原理 . 4.2 硬件设计原理 . 5 系统仿真 . 5.1 仿真程序及图形 . 5.2 仿真结

6、果 . 5.3 结果分析 . 6 心得体会 . 参考文献 . 附录 A 芯片资料 . 附 A1 ADC0809 芯片功能 . 附 A2 DAC0832 芯片功能 . 附 A3 AT89C51 单片机 . 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计附录 B 程序清单 . 附 B1 单片机程序代码 . 附 B2 仿真程序代码 . 本科生课程设计成果评定表. 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课

7、程设计1 设计任务及要求1.1 设计任务要求被控对象为电炉,采纳热阻丝加热,利用大功率可控硅掌握器掌握热阻丝两端所加的 电压大小,来转变流经热阻丝的电流, 从而转变电炉炉内的温度； 可控硅掌握器输入为 05 伏时对应电炉温度 0300,温度传感器测量值对应也为 05 伏,对象的特性为积分 加惯性系统,惯性时间常数为 T140 秒；要求完成的主要任务 :1设计温度掌握系统的电脑硬件系统,画出框图；2编写积分别离PID 算法程序,从键盘接受Kp、Ti、Td、T 及 的值；3电脑仿真被控对象,编写仿真程序；4通过数据分析 Td 转变时对系统超调量的影响；5. 撰写设计说明书；1.2 任务要求分析本系

8、统的掌握对象为电炉,被控量为温度,利用温度传感器实时检测电炉温度；将测 得的数据经过 A/D 转换后送入电脑；电脑系统将检测得到的温度与炉温给定值进行比较,并运算偏差；依据预置的掌握算法,对可控硅掌握器的导通角进行调剂,从而可以掌握热 阻丝两端的电压,起到温度调剂的作用；为了实现数据采集、转换、处理以及PID 算法掌握,并通过键盘对温度设定值和PID掌握参数进行修正,因此可以使用单片机或PLC；由于本次掌握对象为电炉,其时间常数较大,因此采纳周期不宜过小,防止系统响应过于频繁,降低电脑系统的效率并使掌握品 质变坏；但也不能太大,否就会使误差不能准时排除；1 名师归纳总结 - - - - - -

9、 -第 7 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计2 方案比较及认证2.1 方案设计用温度传感器来检测炉的温度,将炉温转变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；由电阻网络将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电脑程序中作比较,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；运算得到的掌握量输出给可控硅掌握器,转变可控硅的导通角,到达调压的目的,是电阻丝两端的电压增大或较小,进而实现对炉温的掌握；方案一：使用 PLC 直接对铁块温度进行P

10、ID 调剂；其基本思想为,触摸屏要设定温度给 PLC,PLC 掌握光耦电路,然后对电阻丝进行掌握加热；详细流程为,由触摸屏设定温 度给 PLC,由 PLC 通过电路掌握铁块的加热或不加热,热电偶把温度以电压的方式经过 AD 转换反馈给 PLC,PLC 再经过 PID 来掌握温度；其结构框图如图 2-1 所示；图 2-1 方案一设计结构图方案二：单片机热电偶温度自动掌握；主要的掌握芯片采纳 AT89C51,要求传感器测 量的电压范畴和可控硅掌握器的电压在 0-5,所以 A/D 与 D/A 转换芯片采纳 ADC0809 和 DAC0832；炉温掌握在 0300内,因此采纳镍铬 -铜镍热电偶,同时选

11、用运算放大器 将信号放大；2 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 2-2 方案二设计结构图2.2 方案认证依据设计要求,综合考虑挑选方案二；在系统中,利用热电偶测得电阻炉实际温度并 转换成毫伏级电压信号；该电压信号经过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进 入单片机,单片机进行数据处理后,通过液晶显示器显示温度,同时将温度与设定温度比 较,依据设定运算出掌握量,依据掌握量通过掌握继电器的导通和关闭从而掌握电阻丝的导通时间,以实现对炉温的掌握；程序流程图如图 2-3 所示；3 名

12、师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 2-3 程序流程图3 系统软件设计3.1 PID 掌握算法模拟 PID 掌握器的掌握规律为3-1在 PID 调剂中,比例掌握能快速反应误差,从而减小误差,但比例掌握不能排除稳态 误差, KP 的加大,会引起系统的不稳固；积分掌握的作用是：只要系统存在误差,积分 掌握作用就不断地积存,输出掌握量以排除误差,因而,只要有足够的时间,积分掌握将 能完全排除误差,积分作用太强就会使系统超调增大,甚至使系统显现振荡；微分掌握可 以减小超调量,克服振荡,使系统

13、的稳固性提高,同时加快系统的动态响应速度,减小调 节时间,从而改善系统的动态性能；为了便于电脑实现PID 掌握算法,必需将式 3-1变换成差分方程,以得到数字PID4 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计位置型掌握算式3-2依据式 3-2可写出 uk-1的表达式3-3将式 3-2与式 3-3相减,可以得到数字 PID 增量型掌握算式为式中, Kp 为比例增益； Ki=Kp*T/Ti 为积分系数； Kd=Kd*Td/T 为微分系数；3-4相对于位置型算法,增量型算法不需要做累加,运算误

14、差或运算精度对掌握量的运算 影响较小,而位置型算法要用到过去的累加值,简单产生较大的累加误差；位置型算法不 仅要占用较多的内存单元,而且不便于编写程序,并且逐步增大的累加误差可能引起系统 冲击,严峻影响系统的稳固性；综合考虑,应当使用增量型数字 PID 掌握算法来增加系统 的稳固性以及掌握精度；3.2 积分别离的 PID 掌握掌握算法在一般的 PID 掌握中,当有较大的扰动或大幅度转变给定值时,由于此时有较大的偏 差,以及系统有惯性和滞后,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；特殊对于温度等变化缓慢的过程,这一现象更为严峻,为此,可采纳积分别离措施,即偏差 ek较大时,取消

15、积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入；亦即当 时,采纳 PD 掌握；当 时,采纳 PID 掌握；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计积分别离阈值 应依据详细对象及掌握要求；假设 值过大时,就达不到积分别离的目的；假设 值过小,就一旦被控量 yt无法跳出个积分别离区,只进行 PD 掌握,将会显现残差,为了实现积分别离,编写程序时必需从数字PID 差分方程式中别离出积分项,进行特殊处理；积分别离PID 掌握算法流程图如图3-1 所示；图 3-1 积分别离 PID 掌握算法流程图6

16、名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计4 系统硬件设计4.1 系统滤波原理一般微机应用系统的模拟输入信号中,均含有种种噪音和干扰, 它们来自信号源本身、传感器、外界干扰等；噪音有两大类：一类为周期性的,另一类为不规章的；前者可采纳 双积分 A/D 转换器,有效地排除其影响；后者为随机信号,可用数字滤波方法予以排除；算术平均值法式要按输入的N 个采样为周期 ixi=1N,查找这样一个y,使 y 与各采样值间的偏差的平方和为最小,使由一元函数求值原理可得4.2 硬件设计原理该温度掌握硬件设

17、计采纳了单片机 DAC0832；AT89C52,A/D 转换器 ADC0809 与 D/A 转换器其设计思想为：用热电偶来检测炉的温度,将炉温转变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 ADC0809,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都转换成数字量送入单片机AT80C52 进行比较, 其差值即为实际炉温顺给定炉温的偏差,以单片机为核心的数字 PID 掌握器对偏差依据给定的方法运算, 运算结果送入 D/A 转换器 DAC0832转换成模拟电压,经功率放大器放大后送入晶闸管调压器,触发晶闸管并转变其

18、导通角的大小,从而掌握电阻炉的加温电压,起到炉温调剂的作用；其电路图如图 4-1 所示；7 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计8 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 4-1 硬件设计电路图9 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计5 系统仿真5.1 仿真程序及

19、图形被控对象为Gss11s12 s挑选合适的 Kp,40s40采纳 simulink 仿真,通过 simulink 模块实现积分别离 PID 掌握算法；Ki ,Kd 是系统的仿真成效趋于抱负状态；clear all; close all;MATLAB 程序如下所示；ts=2; %采样时间 2ssys=tf1,40,1,0; dsys=c2dsys,ts,zoh; num,den=tfdatadsys,v; kp=1; ti=50; td=1; beta=0.1; ki=kp*ts/ti; kd=kp*td/ts;%令 sys 为系统传递函数 %将 sys 离散化并加零阶保持器 %求 sys 多

20、项式模型参数Simulink 仿真图如图 5-1 所示；10名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 5-1 Simulink 仿真图5.2 仿真结果1当 Td=0.1 时,仿真波形图如图 5-2 所示；图 5-22当 Td=1 时,仿真波形图如图 5-3 所示；11名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 5-3 当 Td=1 时的仿真波形图3当 Td=10 时,仿真波形图如

21、图 5-4 所示；图 5-4 当 Td=10 时的仿真波形图12名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计4当 Td=15 时,仿真波形图如图 5-5 所示；图 5-5 当 Td=15 时的仿真波形图5当 Td=20 时,仿真波形图如图 5-6 所示；13名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 5-6 当 Td=20 时的仿真波形图6当 Td=30 时,仿真波形图如图 5-6 所

22、示；14名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 5-7 当 Td=30 时的仿真波形图7当 Td=40 时,仿真波形图如图5-8 所示；此时系统显现振荡,系统不稳固；15名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计图 5-7 当 Td=40 时的仿真波形图5.3 结果分析增大微分时间 Td,有利于加快系统响应,使超调量减小,稳固性增加,但系统对扰动的抑制才能减弱,对扰动有较敏锐的响

23、应；通过仿真可以看出,当K,Td,T, 取了合适的值后,转变Td 既会转变系统的超调量,又会使系统的稳固时间发生较大的转变；在肯定范畴内Td 增大,而相应的系统超调量减小,说明此时微分作用会使系统超调量减小；但超过该范畴,随 Td 增大超调量增大；仿真结果中,当 Td=40 时,系统甚至显现不稳固的情形；因此,积分时间常数 Td 必需取恰当值,微分作用过强,会使系统超调过大,甚至不稳固；因此, Td 增大即微分作用的增强有助于增加系统的稳固性,仍可以改善系统的动态特性,如可以明显削减超调量,缩短调剂时间等,提高掌握精度；但 Td 值偏大都会适得其反；16名师归纳总结 - - - - - - -

24、第 22 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计6 心得体会通过本次温度掌握系统设计,个人有了很多获得：一,明白了自身各种理论学问的不足之处,强化了自身学问水平；二,知道了理论必需与实践结合,各种技术才能真正到达娴熟运用的程度；三,科学技术是严密谨慎的,不能有一丝马虎,否就可能会显现较大误差；四,通过本次温度掌握设计,进一步学习了单片机设计与Matlab 仿真设计；也学习了数字 PID 掌握,比较了数字 PID 位置型掌握算法与数字 PID 增量型掌握算法； 同时明白了数字 PID 掌握器改良的方法, 如积分别离；为了实现积分别离,

25、编写程序时必需从数字 PID差分方程式中别离出积分项,进行特殊处理；17名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计参考文献1 于海生 . 电脑掌握技术 M. 北京：机械工业出版社,2022：101-111.2 张毅刚,彭喜元 . 单片机原理及应用 M. 北京：高等训练出版社, 2022：43-82. 3 刘教瑜 . PLC 应用技术 M. 北京：人民邮电出版社, 2022：276-278.4 刘红丽 . 传感与检测技术 M. 北京：国防工业出版社, 2022：73-81.5 王孝武,方敏,

26、葛锁良 . 自动掌握理论 M. 北京：机械工业出版社,2022：117-118.18名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计附录 A 芯片资料附 A1 ADC0809芯片功能A/D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的期间或装置,它是一种模拟系统和电脑之间的接口,它在数据采集和掌握系统中,得到了广泛的应用,常用的 A/D 转换器有ADC0809. 它是一种带有 8 通道模拟开关的 8 位逐次靠近式 A/D 转换器,转换时间为 100us左右,线性误差为1/2LSB,采纳 28 脚双立直

27、插式封装, ADC0809 由 8 通道模拟开关、通道挑选规律、 8 位 A/D 转换器及三态输出锁存缓冲器组成；18 通道模拟开关及通道挑选规律该部分的功能是实现8 选 1 操作,通道挑选信号C、B、A 与所选通道的关系如下：表 A-1 ADC0809 模拟开关及通道挑选规律地址锁存答应信号 ALE 、正脉冲用于通道挑选信号C、B、A 的锁存；加至 C、B、A 上的通道挑选信号在ALE 的作用下送入通道挑选规律后,通道i 上的模拟输入被送至A/D 转换器转换；19名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电

28、脑掌握技术课程设计28 位 A/D 转换器图 A-1 ADC0809 引脚图如图 A-1 所示； IN0IN7 为模拟信号的 8 个输入通道； VREF,VREF 为基准电压的正极和负极； ADDA 、ADDB 和 ADDC 为模拟信号输入通道的地址挑选线；ALE 为地址锁存信号,由低电平到高电平正跳变时讲地址挑选线的状态锁存,一选通相应的输入通道；START 为启动信号,正脉冲的上升沿使内部寄存器清零,从下降沿开头进行 A/D 转换；OEC 为转换终止信号,在 START 信号之后变低,转换终止为高电平,用来申请中断；OE为输出答应信号,有效时将输出寄存器中的数据放到数据总线上；2-82-1

29、 为数码输出端,2-8 为最低有效位, 2-1 为最高有效位；20名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计附 A2 DAC0832芯片功能D/A 转换器的功能是把二进制数字量电信号转换为与其数值成正比的模拟量电信号；常用 D/A 转换器为 DAC0832 芯片； DAC0832 工作在单缓冲寄存器方式,即当 CS 信号来时,D0D7 数据线送来的数据直通进行D/A 转换,当 IOW 变高时,就此数据便被锁存在寄存器中,因此 D/A 转换的输出也保持不变； DAC0832 讲输入的数字量转

30、换成差动的电 流输出Iout1 和 Iout2,为了将其编程电压输出, 须经过运算放大器, 使其输出 05VVref 为-5V或 010VVref 为-10V,假设要形成负电压输出,就 Vref 需接正的基准电压；图 A-2 DAC0832 引脚图如图 A-2 所示, DAC0832 是双列直插式 8 位 D/A 转换器；能完成数字量输入到模拟量电流 输出的转换；图 4 为 DAC0832 的引脚图；其主要参数如下：辨论率为 8 位,转换时间为 1 s,满量程误差为1LSB,参考电压为 +10/span-10V,供电电源为 +5+15V,规律电平输入与 TTL 兼容；在 DAC0832 中有两

31、级锁存器, 第一级锁存器称为输入寄存器,它的答应锁存信号为ILE ,其次级锁存器称为DAC 寄存器,它的锁存信号也称为通道掌握信号 XFER；当 ILE 为高电平,片选信号CS 和写信号WR1 为低电平常,输入寄存器掌握信号为1,21名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 44 页精选学习资料 - - - - - - - - - 武汉理工高校电脑掌握技术课程设计这种情形下,输入寄存器的输出随输入而变化；此后,当WR1 由低电平变高时,掌握信号成为低电平,此时,数据被锁存到输入寄存器中,这样输入寄存器的输出端不再随外部 数据 DB 的变化而变化；对其次级锁存来说, 传送掌握信号

32、 XFER 和写信号 WR2 同时为低电平常, 二级锁存控 制信号为高电平, 8 位的 DAC 寄存器的输出随输入而变化,此后,当 WR2 由低电平变高时,掌握信号变为低电平,于是将输入寄存器的信息锁存到 其余各引脚的功能定义如下：DI7DI0 ：8 位的数据输入端, DI7 为最高位；DAC 寄存器中；IOUT1 ：模拟电流输出端 1,当 DAC 寄存器中数据全为 1 时,输出电流最大, 当 DAC寄存器中数据全为 0 时,输出电流为 0；IOUT2 ：模拟电流输出端2,IOUT2 与 IOUT1 的和为一个常数；RFB：反馈电阻引出端, DAC0832 内部已有反馈电阻,所以 RFB 端可

33、以直接接到外部运算放大器的输出端 ,相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间；VREF：参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它打算 0 至 255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度,电阻网络相连；VREF 范畴为 +10；VREF 端与 D/A 内部 T 形VCC：芯片供电电压,范畴为 5V15V；GND ：模拟量地 /数字量地,即模拟 /数字电路接地端；附 A3 AT89C51 单片机AT89C51 供应以下的功能标准： 4K 字节闪耀储备器, 128 字节随机储备器, 32 个 I/O 口, 2 个 16 位定时 /计数器, 1 个 5 向量两级中断结构, 1 个串行通信口,片内震荡器和时 钟电路；另外, AT89C51 仍可以进行 0HZ 的静态规律操作,并支持两种软件的节电模式；8051 单片机的内部结构非常复杂,但封装之后,只有引脚是面对用户的,所以使用者需要熟识各引脚的用途；常用的8051 芯