基于PID的多路温度控制系统设计毕业设计（论文）word格式

1、基于pid的单片机温度控制系统摘要：本设计主要任务是完成电阻炉的温度测控，利用c8051单片机套件模块作为核心器件配以适当的外围电路实现温度调节，实施温度监控。这个系统分为硬件和软件两大部分，其中硬件部分包括温度检测.转换部分的k型镍铬-镍铝热电偶，变送器，控制部分的c8051f060单片机套件模块，以及执行部分的固态继电器等。软件部分主要包括主程序，t0中断程序以及嵌套在t0中断程序中的几个程序等几个部分。该系统主要采用软件来实现对温度的控制。本设计中，采用pid控制来实现对温度的控制。当温度发生变化进而产生一个偏差量时，通过pid算法从单片机口上输出一个脉冲，偏差量的大小不同其输出脉冲的宽

2、度也相应的改变，从而改变了固态继电器的接通时间，最终改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。我们将热电偶、输入输出通道、单片机模块等环节构成一个温度单回路数字闭环控制系统。利用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。关键词：单片机； 温度控制； pid； 硬件系统； 软件系统design of scms temperature control system basedon pid abstract：design of the main tasks is to complete the resist

3、ance furnace temperature monitoring, boards using c8051 mcu module as a core device temperature regulation, the implementation of temperature control. the system is divided into two parts-hardware and software. which also includes hardware detection of nickel chromium / nickel and aluminum two therm

4、ocouple transmitter, control part c8051f060 boards module, operative and other solid-state relay. some major software also includes main program and procedures t0 interrupted several parts. this system mainly use software control temperature. i use pid control the temperature in this design. when th

5、e temperature changes result in a deviation of, through the pid algorithm to change its output pulse width, thus changing the solid state relays on-time and eventually change the heating wire power, to achieve the purpose of regulating temperature.we will thermocouple, the input and output channels;

6、 the mcu module links constitute a single loop digital temperature closed-loop control system. scm right to control the temperature, control is not only convenient, simple configuration flexibility and the advantages of large, but can substantially increase the temperature was charged with the techn

7、ical indicators, which can greatly enhance the quality and quantity. key words: mcu；pid；temperature control； system hardware； system software目 录绪论1第一章 电阻炉温度控制系统总体设计2第二章 系统硬件设计32.1 c8051f060单片机简介32.1.1 c8051f060单片机的基本特点32.1.2 存储器结构42.1. 3 模数/数模转换器62.1.4 定时器/计数器72.1.5 中断系统102.2 热电偶102.2.1 热电偶的工作原理102.

8、2.2 热电偶的温度补偿112.3 ddz-型温度变送器122.4 固态继电器13第三章 系统软件设计143.1 pid算法143.1.1 pid控制的原理和特点143.1.2 数字pid控制算法173.1. 3 pid控制算法子程序设计183.1. 4 pid参数的整定和求取193.2 温度控制程序233.2.1 主程序243.2. 2 t0中断程序253.2.3 t1中断程序283.2.4 采样子程序293.2.5 数字滤波子程序303.2.6 pid算法程序313.2.7 温度标度转换程序34第四章 系统软件的汇编与调试374.1 keil的使用374.1.1 源文件的建立374.1.2

9、 编译、连接37结论38致谢39参考文献40绪论问题的提出在工业生产中，温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。研究的现状随着电子技术的飞速发展，工业生产和日常生活中的智能设备日益增多，现代电子产品几乎透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来

10、越快，对设计开发提出了更高的要求。对于温度控制系统，较为传统的是实验室人员根据材料的烧成制度来调节电炉的输出电压以实现对电炉的温度控制。一般的有两种方法:第一种就是手动调压法,第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置,并结合一些简单的仪表,使得保温阶段能够自动,但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。而采用以参数自整定pid 控制为基础的温控系统具有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，简单、可靠, 具有真正的智能化和灵活性，大大提高了控制质量及自动化水平,具有良好的经济效益，对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。在单片机领域，c5

11、1系列单片微机具有很强的功能，处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高，特别是其集成了a/d与d/a转换器，无须外加，使用范围广，既可构成功能很强的复杂系统，也可组成较简单的应用系统。利用单片机通过pid的控制对电阻炉的温度控制进行改造后的系统具有控温精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。研究的主要内容、目标与方法主要内容：该设计利用单片机来控制炉温，使其达到预期值温度，需要多次采样炉温值，利用pid算法来对固态继电器进行通断控制，加热电阻丝，使其温度与预期值相当。设计结果应是实际值与设定值误差甚少，结果良

12、好。温度控制范围：室温500oc; 控制精度为1c。目标与方法：本设计采用经典算法pid控制，通过单片机来实现预期的设计需求，通过采样，a/d转换,滤波等一系列步骤，与设定值进行比较运用pid来是系统达到设定值的范围内， pid计算值来控制可控硅的导通时间，对电阻丝进行加热处理，使系统稳定工作。 第一章 电阻炉温度控制系统总体设计温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、

13、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。本设计的控制对象为一箱型电阻炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内的温度。控温范围：室温500，控制精度：1。系统是一个由c8051f060单片机控制的电阻炉温度闭环控制系统。其目的在于对电阻炉的温度进行精确控制，从而得到需要的温度。为了达到较为理想的结果，本设计采用的设计思路是：首先利用热电偶对电阻炉的温度进行采集，通过数字滤波，并将此检测值与给定值比较，然后将其差值进行pid控制运算，其控制输出量通过c51引脚和放大电路，使其输入的高电平（固态继电器的接通时间是通过触发脉冲加以控制的）直接去控制可控硅接通时间来对电阻炉进行控制，以达到接近设

14、定温度值。温度控制系统组成框图如下 图1 系统图上图是整个系统设计的一个大致框图，其包括了整个设计思路。第二章 系统硬件设计2.1 c8051f060单片机简介2.1.1 c8051f060单片机的基本特点图21 c8051f060原理图（）内核采用流水线结构,速度可达25mips（25mhz晶振）,比普通的51单片机快10倍;其指令与标准系列51单片机兼容。因而掌握开发过程非常容易;该芯片的jtag调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程,且不占用片内资源。（）片上集成有64k lash、4352内部ram（2564kb,可外扩至64kb）、59个口、通道16位sps的可编程增益dc、通道

15、10位200ksps可编程增益adc、路12位dac、路模拟比较器、内部电压基准以及片内电源监视、降压检测和看门狗等功能。由于c8051f060的高集成度,因而无需外扩rom、ram、ad、da、watchdog(看门狗定时器)、可编程i/o口和eeprom（用片内flash实现）,从而大大简化了硬件电路,并为构成以c8051f060为核心的单片机系统创造了条件,同时也提高了系统的可靠性。（）片内集成有个uart、个sm（兼容i2）和个spi（）可编程的位计数器阵列pac有个捕捉比较模块和个通用位计数器定时器,这一为要求定时器计数器具有较多的测控节点提供了方便。（）c8051f060能满足绝大

16、多数工业测控节点的要求,能够形成以c8051f060为核心的单片机系统,如果配以外围测量单元,还可形成完整的测控节点。2.1.2 存储器结构图2-1是c8051f060单片机的存储器结构图。显然，该单片机采用了标准8051的程序和数据存储器独立编址的结构，程序存储器为64kb的flash结构，外加128字节flash；数据ram除包含标准51单片机256字节，还有4kb片上xram和可外扩64kb数据存储器的接口。 图22 存储器结构图（1）数据存储器数据存储器分为内部存储器和外部存储器。内部ram包含256字节，其高端128字节为双映射结构，即间接寻址访问128字节通用ram，直接寻址访问1

17、28字节的特殊功能寄存器sfr地址空间，这个空间又分为256个sfr页，由特殊功能寄存器sfrpage来切换。这样，单片机就有足够的sfr来设定和配制各种接口资源，并为以后扩展预留了足够的空间，低端的128字节ram可通过直接或间接寻址来访问，这和8051单片机的ram完全一样。其中前32个字节是4个通用工作寄存器区，接下来的16字节可以按字节寻址，也可以按位寻址。c8051f060单片机还有一个4kb的片内xram，其寻址范围以4kb为边界覆盖整个64kb的外部数据存储器地址空间。另外，该单片机还有一个外部存储器接口emif，用于访问片外数据存储器。外部数据存储器寻址范围可以只映射为片内存储

18、器、片外存储器或二者的组合，即4kb以内指向片内，4kb以上指向外部存储器接口emif，该emif可以配置为复用和非复用地址线/数据线两种方式。编程步骤是：emif端口的选择和配置；确定地址形成非复用/复用和地址/数据复用方式；存储器方式为片内方式，不带地址选择的分片方式，有地址选择的分片方式，片外工作方式；确定接口定时参数。（2）程序存储器c8051f060单片机的程序存储器为64kb的flash存储器，它能以512字节为扇区实现在系统编程，无需提供片外专用编程电压，其中从0xfc000xffff的1024字节为保留区。另外，从0x100000x1007f的128字节flash存储器，可以作

19、为非易失存储器，由软件来访问,它最适合用于存放系统参数等。64kb的flash存储器区除了可以存放程序代码外，也可以用来存放非易失数据。既可以在开发系统中，通过jtag接口编程，也可以用mov指令来实现软件编程。注意，在对flash存储器操作时，读操作用movc指令，写操作用movx指令，若用movx读操作时，只能读到xram区。另外，要特别搞清楚程序存储读/写控制寄存器psctl和flash存储器控制寄存器flscl的各个位的确切含义。图23 c8051f060外观图图24 c8051f060接线图2.1.3 模数/数模转换器c8051f060系列内部都有一个adc子系统，由逐次逼近型adc

20、、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。adc工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的8位、10位或12位精度.除了12位的adc子系统adc0之外，c8051f系列还有一个8位adc子系统，即adc1，它有一个8通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该adc工作在500ksps的最大采样速率时可提供真正的8位精度。adc1的可编程增益放大器的增益可以设置为0.5、1、2或4。adc1也有灵活的转换控制机制，允许用软件命令、定时器溢出或外部信号输入启动adc1转换；用软件可以使adc1与adc0同步转换。c8051f060系列内有两路12位dac，2个电压比较器。cpu通过sfr

21、s控制数模转换和比较器。cpu可以将任何一个dac置于低功耗关断方式。dac为电压输出模式，与adc共用参考电平。允许用软件命令和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号更新dac输出。（1）多路模拟开关切换电路因为c8051f060只有2路高速ad转换器，而实际上有4路模拟量需要采集，故需要一个多路模拟切换开关。nlas4684是两路单刀双执cmos模拟切换开关，具有很低的导通电阻。当ado_con、adlcon为高电平时，运放的输出out2进入ado进行ad转换，运放的输出out4进入adl进行ad转换；当ado_con、adlcon为低电平时，运放的输出outl进入ado进行ad转换，运放

22、的输出out3进入ad1进行ad转换，如图所示。图2 多路模拟开关切换电路（2）模拟运算放大电路lm134、r1、r2、d1构成恒流源电路，对桥式电路传感器提供恒流源。桥式电路传感器输出信号inl+、inl一经ina326ea放大后送入多路模拟切换开关，然后由c805lf060的ad电路进行ad转换。ina326ea是一款单电压供电、高性能、低功耗、满幅度输入输出的仪表运算放大器。运算放大器电路放大倍数g=2k1r3。总共有4路模拟运算放大电路。图6为其中一路模拟运算放大电路。图26 模拟运算放大电路2.1.4 定时器/计数器cip-51有3个与标准8051mcu兼容的16位计数器/定时器，它

23、们可用来测量时间间隔，对外部事件计数和产生周期性的中断请求。定时器0和1几乎完全相同，并且有4种工作方式。定时器2提供定时器1和0没有的附加功能例如捕捉和产生波特率。表2-1 定时/计数器表当作为定时器时计数器/定时，器寄存器在每一个定时时钟脉冲下都加1.时钟脉冲为系统时钟被1或12除。由ckcon 中的定时器时钟选择位t2m-t0m 指定。定时时钟脉冲为12个系统钟周期选项提供了与标准8051系列的兼容性。如果需要更快的定时器可以使用1个时钟选项。当作为计数器时计数器/定时器寄存器在选择的输入引脚p04/t0,p05/t1,p06/t2每1次从高到低跳变都加1对事件计数的最大频率为系统时钟频

24、率的1/4输入信号不必是阶段性的但是它应该被保持在给定的电平至少2个完整的系统时钟周期来确保该电偏高取样。定时器0和定时器1通过sfr进行访问和控制，每个计数器/定时器都是16位寄存器。在被访问时以两个字节的形式出现：一个低字节tl0或tl1和一个高字节th0或th1。计数器/定时器控制寄存器tcon用来使能定时器0和定时器1以及指示其状态。这两个定时器/计数器都有四种工作方式，通过设置定时器/计数器方式寄存器tmod中的方式选择位m1-m0 来选择工作方式每个定时器都可被独立配置。（1） 定时/计数器控制寄存器图27 tcon控制寄存器7位：tf1： 定时器1溢出标志当定时器1 溢出时由硬件

25、置位这个标志能被软件清除当cpu进入定时器1中断服务程序时它被自动清除。0定时器1未溢出。1定时器1已溢出。6位：tr1：定时器1控制0定时器1禁止。1定时器1允许。5位：tf0： 定时器0 溢出标志当定时器0 溢出时由硬件置位该标志能被软件清除当cpu 进入定时器0 中断服务程序时它被自动清除。0定时器0未溢出。1定时器0已溢出。4位：tr1：定时器0 控制0 定时器0禁止。1 定时器0允许。3位：ie1 外部中断1当检测到一个it1 定义的边沿/电平时该标志由硬件置位它能被软件清除但是当it1=1 时如果cpu进入外部中断1 服务程序则自动清除当it 1=0 时该标志是/int1 输入信号

26、的逻辑电平取反。2位：it1：中断1 类型选择此位选择/int1 信号检测到下降沿中断还是检测到低电平有效中断。0 /int1是电平触发。1 /int1是边沿触发。1位：ie0：外部中断0当检测到一个it0定义的边沿/电平时该标志由硬件置位它能被软件清除但是当it0=1时如果cpu进入外部中断1 服务程序则自动清除当it0=0 时该标志是/int0 输入信号的逻辑电平取反。0位：it0：中断0 类型选择此位选择/int0 信号否检测到下降沿中断还是检测到低电平有效中断。0 /int0 是电平触发。1 /int0 是边沿触发。（2） 定时/计数器方式寄存器图28 tmod方式寄存器7位：gate

27、1：定时器1门控位。0：当tr1=1 时无论/int1 如何定时器1允许。1：只有在tr1=1并且/int1=逻辑1时定时器1允许。6位：c/t1：计数器/定时器1选择。0：定时器功能t1m 位ckcon.4 定义的时钟使定时器1加1.1：计数器功能在外部输入引脚p0.5/t1 上的从高到低的跳变使定时器1加1.5-4位：t1m1-t1m0： 定时器1方式选择。这些位选择定时器1 操作方式表2-2 定时器1选择一览表3位：gate0：定时器0 门控位0：当tr0=1 时无论/int0 如何定时器0 允许1：只有在tr0=1 并且/int0=逻辑1 时定时器0 允许2位：c/t0： 计数器/定时

28、器选择0：定时器功能t0m 位ckcon.3 定义的时钟使定时器0 加1：计数器功能在外部输入引脚p0.4/t0 上的从高到低的跳变使定时器0 加0-1位：t0m1-t0m0： 定时器0 方式选择这些位选择定时器0 操作方式表2-3 定时器0选择一览表（3）时钟控制寄存器 图29 ckcon时钟控制寄存器7-6位：未用读=00b，写=无关5位： t2m： 定时器2时钟选择此位控制定时器2 的系统时钟的分频当定时器为波特率发生方式或计数器方式即（c/t2=1）此位被忽略。0：定时器2使用系统时钟的12分频。1：定时器2使用系统时钟。4位：t1m：定时器1时钟选择此位控制定时器1的系统时钟的分频。

29、0：定时器1使用系统时钟的12分频。1：定时器1使用系统时钟。3位: t0m 定时器0 时钟选择此位控制计数器/定时器0 的系统时钟的分频。0：计数器/定时器使用系统时钟的12分频。1：计数器/定时器使用系统时钟。0-2位：未用读=00b，写=无关。2.1.5 中断系统两个外部中断源（/int0 和/int1）可被配置为低电平触发或下降沿触发输入，由it0（tcon.0）和it1（tcon.2）的设置决定。ie0（tcon.1）和ie1（tcon.3）分别为外部中断/int0 和/int1 的中断标志。如果一个/int0 或/int1 外部中断被配置为边沿触发，cpu 在转向isr 时将自动清

30、除相应的中断标志。当被配置为电平触发时，中断标志将跟随外部中断输入引脚的状态，外部中断源必须一直保持输入有效直到中断请求被响应。在isr 返回前必须使该中断请求无效，否则将产生另一个中断请求。其余的2个外部中断（外部中断6-7）为边沿触发输入，可以被配置为下降沿触发或上升沿触发。这些中断的中断标志和配置位在端口3 中断标志寄存器中。2.2 热电偶2.2.1 热电偶的工作原理热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它具有结构简单，使用方便，准确度高，热惯性小，稳定性和复现性好，温度测量范围宽，适用于信号的远传自动记录和集中控制的优点，在温度测量中占有重要的地位。此外，通过热辐射来测温，不会破坏被测

31、介质的温度场。热电偶的测温原理的以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体a/ b组成一闭合回路（图2-11）只要其连接点1、2温度不同，在回路就产生热电动势，这种现象称为热效应，我们就是利用热电偶的热效应来测量温度的。从物理上看，热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的。当两种不同导体a，b接触是时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界上边产生电子的互相扩散。在开始接触的瞬间若导体中自由电子密度大于导体中自由电子密度，则导体向导体扩散的电子数将比导体向导体扩散的电子数多，因而使导体失去较多的电子而带正电荷，导体得到较多的电子而带负电荷，致使在导体、接触外产生电场，以阻碍电子在导体中的

32、进一步积累，最后达到平衡。平衡时，在、两个导体间的电位差称为接触电动势。其值决定于两个导体的材料种类和接触点的温度。在图2-11所示的热电偶回路中，当接触1、2的温度不同时，则产生两个不同的接触电动势eab(t)和eab(0)。这时回路中的总电势。e(t,t0)=eab(t)-eab(t0) (2-1)式中：e下标字母表示电势的方向。在实际使用热电偶时，在热电偶回路中总要接入测量仪表及导线，如图2-11所示：1为热电偶abc；2为测量仪表；3为连接热电偶和测量仪表的导线。 图210 图211热电偶是由两种不同导线或半导体材料焊接而成。焊接的一端称为热端（或工作端）与导线连接的一端称为冷端。热端

33、插入需要测量的设备之中，冷端置于设备之外。e(t,t0)=eab(t)+ebc(t0)+eca(t0) (2-2)如果回路中各接点温度相同，即t=t0，则回路总电势e(t,t0)必为零，即e(t,t0)=eab(t)+ebc(t0)+eca(t0)=0 (2-3)ebc(t0)+eca(t0) = -ab(t0) (2-4)2-4代入2-3可得e(t,t0)=eab(t)-eab(t0) (2-5)式2-2同式2-3完全一样，由此可见，在热电偶回路中接入第三种导体的两个接点温度相等，回路中总电势值不变。但是，如果图2-12中导体、和导体、接点处温度不同时，回路中总电势会发生变化。所以，在使用热

34、电偶测温时，冷端温度应该使之相等。一般热电偶很短(几百mm几千mm)，热电偶冷端温度会随设备和环境温度不断变化。为了保证测量精度，必须采取措施，使热电偶冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离被测物体，并连同测量仪表一起放到恒温或温度波动较小的仪表控制室。但是，这种方法是不经济的，因为从现场到仪表室一般较远，这将要耗费许多贵重的热电板材料。所以一般要冷端补偿。2.2.2 热电偶的温度补偿热电偶测温的误差，在低温大约为2.5-5度，高温相对误差大约为0.4-1%，例如，铂铑10铂热电偶在0-600度间的允许误差为2.4，温度高于600度时为0.4%，适用热电偶时必须十分注意其适用条件，

35、在有些气氛环境下，热电偶性会急剧变化，产生很大的测量误差。热电偶的热电势大小不仅与测量温度有关，还决定于自由端的温度，所以适用热电偶时常需保持冷端温度恒定，例如冷端置于冰瓶中，由冰水混合物保持零度的冷端温度，在工业测量仪表中，通常在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电势，自动补偿冷端温度的变化，以保证测量精度，考虑到冷端恒温器或电势补偿装置离测量点较远，在使用较贵的热电偶时，如果全用热电偶丝从测量点引至恒温器，代价将太高，为了节约，工业上选用较低温度下，与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的代替品，称为补偿导线，这样热偶丝只要引致温度为100度以下的地方就行了，其他的长度可

36、用廉价的补偿导线来延伸。为了补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或是变化而引起热电势的变化值，我们采用冷端温度自动补偿法，也称为补偿电桥法，补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号。本设计采用k型镍铬-镍硅（镍铝）热电偶，适用于01000的温度测量范围，镍相应的输出电压为0mv-41.32mv.铬为正极，镍为负极。它适用于氧化性或中性介质中使用。当介质温度低于500时亦可用于还原介质中测量温度。2.3 ddz-型温度变送器本次采用的是ddz型温度变送器，它的工作原理如下：图212 变送器原理图直流信号通过输入引线输送到仪表，此电压信号与零点调整桥路上的一臂上电势相叠加后输入到主放

37、大器同相端，经过放大器放大后成为电流信号叠加后输入到主放大器同相端，经过放大器放大后成为420ma电流信号，流入输出电流互感器初级，直流信号被10kz频率的方波调制后耦合到互感器初级，再被整流滤波成为420ma dc信号输出。此输出电流经过250欧姆电阻成为15 v dc的电压信号输出。直流毫伏变送器电源为24v dc集中供电，实现了二线制接线方式。输入电压为010 mv dc，其具有安全防爆等级是(h)e型，可用于易燃易爆场合。采用低漂移，高增益的运算放大器作为主要放大器，具有线路简单和良好的可靠性，稳定性及各项技术性能。在配热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电路，使其输出电流i与被测温度呈

38、线性关系，测量精度高。该仪表的输入回路与输出回路，电源回路之间只有磁的联系，无电的直接联系，因此它们之间是安全隔离的，调整校验步骤如下： 准备工作：按要求准备好设备，检察供电电压是否24vdc，极性是否正确，检查接线无误后接通电源，待通电半小时后，按照技术条件逐次检查，首先根据该台仪表的型号按表列出检查点的输入信号值，一般检查点的量程范围0，10，30，50，70，90， 100，调整电阻箱，用测量输入信号，记下电阻箱的数据。 加入零点及满量程信号，反复调节零电位器及量程电位器，零点、输入时使仪表输出为1v 或 (4ma)满量程后，开始测量各检查点，输出实测值与理论值相比较，差值对于0.5，的

39、表应20mvdc或0.03ma ，对于10%精度的仪表应4mv(或0.16ma)满足此项要求即合格。420ma线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的t/i变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40+85的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6v到40v,输入失调电压2.5mv，输入失调电流20na。xtr101外形采用标准的14脚dip封装。有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：图213 温度转换一 图214 温度转换二 2.4 固态继电器固态继电器简称ssr，它是晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级把光电隔离器融为一体，因此，固态继电器

40、实际上是一种带光电隔离器的触点开关。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动和回跳，开关速度快，工作可靠等优点。根据结构形式，固态继电器有直流固态继电器和交流固态继电器之分。交流型固态继电器交流型固态继电器又可分为过零型和移相型两类，它采用双向可控硅作为开关器件，用于交流大功率场合，如交流电动机控制，交流电阀控制等。其原理图如下。对于非过零型ssr在输入信号时，不管负载电流相位如何，负载端立即导通，而对于过零型必须在电源电压接近零而且输入控制信号有效时，输出端负载电源立才导通。而当输入的控制信号撤销后，无论哪一种类型，它们都是流过

41、双向控制硅负载电流为零时才关断。其输出波形如图2-15所示。图215 固态继电器原理图过零触发型acssr为四端器件，其内部电路如图2-15所示。1、2为输入端，3、4为输出端。光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，r8和c组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在1025v或-(1025)v区域内进行触发，如图2-16所示。图中交流电压分三个区域，区为-10v+10v范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使ssr导通。区为1025v和-(1025)v范围，称为响应区，在此区

42、域内只要加入输入信号，ssr立即导通。区为幅值大于25v的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，ssr的导通被抑制。当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止,但晶闸管仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，ssr才转为截止。图2-16 电压波形图217 交流ssr输出波形图第三章 系统软件设计3.1 pid算法根据对偏差的比例（p），积分（i）,和微分（d）运算而进行控制（简称pid控制），是对过程控制系统中应用最广泛的一种控制规律，此控制规律对许多工业过程控制时，都能得到比较满意结果。3.1.1 pid控制的原理和特点所谓pid控制器：将偏差的比例（p

43、）,积分（i）和微分（d）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对控制对象进行控制，这样的控制器就是pid控制器。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或是不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例，积分和微分计算出控制量进行控制的。(1) 比例控制比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两

44、种情况，比例控制都能给出稳态误差。当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。图3 比例控制（2）积分控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零。积分(i)和比例(p)通常一起使用，称为比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。如果单独用积分(i)的话，由于积分输出随时间积累

45、而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。图32 积分控制（3）微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。由于自动控制系统有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，在调节过程中可能出现过冲甚至振荡。解决办法是引入微分(d)控制，即在误差很大的时候，抑制误差的作用也很大；在误差接近零时，抑制误差的作用应该是零。图33 微分控制自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至是失真。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或是有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是抑制误差的作用的变化

46、“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分”项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或是滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.1.2 数字pid控制算法pid控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟pid控制器是通过硬件（电子元件，气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软

47、件来代替，因此称作pid控制器，所形成的一整套算法则称为数字pid算法。数字pid控制器与模拟pid控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。数字pid控制算法可以分为位置式pid控制算法和增量式pid控制算法。增量式控制算法相较于位置式来说有许多优点，因此采用增量式pid算法来实现。所谓增量式pid是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。以t作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间t,用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，在此，先对采样周期的几点要求有必要在此说明：采样一数据控制系统中，设采样周期为t，采样速率为1/t。采样周期t是

48、设计者要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周期的选择有密切关系。（1）香农（shannon）采样定理 （wmax-被采样信号的上限角频率） 给出了采样周期的上限。满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢复为原模拟信号，而不丢失主要信息。在这个范围内，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连续-时间控制系统（2）闭环系统对给定信号的跟踪，要求采样周期要小。（3）从抑制扰动的要求来说，采样周期应该选择得小些。（4）从执行元件的要求来看，有时要求输入控制信号要保持一定的宽度。（5）从计算机精度考虑，采样周期不宜过短。（6）从系统成本上考虑，希望采样周期越长越好。综合上述各因素，选择采样周期

49、，应在满足控制系统的性能要求的条件下， 尽可能地选择低的采样速率。 tkt (k=0,1,2,3,.) 则可得离散的pid表达式为： （3-1） （3-2）上式中 k-采样序号，k=0,1,2,3.；-第k次采样时刻的计算机的输出值；-第k次采样时刻输入偏差值；-第k-1次采样时刻输入偏差值；-积分系数，;-微分系数，;-开始进行pid控制时的原始初值。由式（3-1）可得孔子其在k-1个采样值为： （3-3）将式（3-1）与式（3-3）相减，并整理，可得增量式pid控制算法公式为： (3-4)上式可以写成： (3-5)3.1.3 pid控制算法子程序设计由于电阻炉一般都属于一阶对象，为了求出几

50、个系数，我们用到扩充响应曲线整定pid参数。式3-5可以改写成： (3-6) pid控制算法子程序是根据式3-6设计的。图3-4为数字pid控制算法流程图。 表3-1 存储器内部字节分布46h最低字节47h次低字节48h次高字节49h最高字节4ah最低字节4bh次低字节4ch次高字节4dh最高字节 图34 数字pid控制算法流程图3.1.4 pid参数的整定和求取pid控制器的参数自整定原理是基于被控对象的继电特性，如图35所示。启动整定程序时，系统将切断pid控制器，在闭环中接入带滞环的继电特性，系统将产生受控振荡，见图3。图35 自整定原理示意图图36 振荡波形示意图系统对象的参数可用下式

51、求得：式中：ra为振荡波形的平均值；a为滞环宽度；h=h0-h1;其余符号的意义。（）控制度的选择控制度就是以模拟控制器为基准，将ddc的控制效果与模拟控制器的效果相比较。控制效果的评价函数通常采用（误差平方积分）表示。显然由于采样周期不是无限小的，所以必定会影响系统的质量，在上式中，分子必然大于分母，控制度必然大于1，说明ddc系统质量很好；其离开一越大，则系统质量越差。上式的控制度定义只有概念上的意义，缺乏可操作性。一个对象的纯滞后大小是相对于对象的惯性而言的，通常以比值表示。其大小对系统的性能影响很大。当变大时，系统的稳定性能变坏；当达到某一临界值时，系统成为不稳定的。而放大系数和积分作

52、用对系统的影响与此相似，即放大系数变大和积分作用变强都会使系统稳定性变坏。此外，微分的作用和积分的作用相反，越大，系统越趋于稳定。如上图中介绍的三种工能的各自特性，这样，完全可以按照其大小来选择控制度。其原则是： 若t0/较小，即较大，宜选择较大的控制度，即对应于较小的和较大的； 若t0/较大，即较小，宜选择较小的控制度； 若较小，t0不必选大，宜选择较小的控制度。若较大，t0可取大一些，宜选择较大的控制度。通常当控制度为1.05时，表示ddc系统与模拟控制系统效果相当。（）扩充响应曲线法用扩充响应曲线法整定t.kp.ti.td的步骤如下： 数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，

53、将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后改变给定值，给对象一个阶跃信号。 用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线。 在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数t0以及它们的比值t0/，查表3-2，即可得到数字控制器的kp.ti.td及采样周期t。表3-2 扩充曲线响应表控制度控制规律kptitd1.05pi0.10.84t0/3.4 /pid 0.051.15t0/2.00.45 1.2pi 0.20.78t0/3.6 /pid 0.161.0t0/1.90.55 1.5pi 0.50.68t0/3.9 /pid 0.340.85t0/1.620.65 2.0pi 0.80.57t0/4.2 /pid 0.60.6t0/1.50.82（）阶跃响应曲线的测定 一阶对象：对象的微分方程为： ty(t)+y(t)=kc(t) （3-8）它的传递函数为： w(s)=k/(t0s+1) （3-9）图37一阶曲线图它的曲线如上图所示。根据一阶对象的响应特性有：一般幅值的阶跃信号输入时，输出稳态值除以输入幅值即为放大倍数k，输出从起始值到达0.632稳态值的时间即为时间常数t。纯滞后的一阶对象：这种对象的微分方程为：ty(t)+y(t)=kc(t-) （3-1