854611281一种采用时间最优控制的PID恒温控制器设计

1、1 引言 现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。 自动控制理论是研究自动控制共

2、同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。 本系统是一个恒温箱的温度控制器, 可供各类实验室及生产部门使用. 系统的加热功率为1000w , 电源为220 v 交流电, 控制范围为20 80 . 控制器可以在线设定控制温度, 并对温度进行实时数码显示. 本控制器经过反复调试、运行,

3、取得了较好的控制效果, 现已在实验室用做恒温水箱的温控器, 它具有控制速度快、超调小、线性控制精度高和实现成本低等特点.为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被

4、控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理2 恒温控制器组成及原理恒温控制器结构框图如图1 所示, 它是一个典型的闭环反馈控制系统键 盘温度显示温度越限报警器单片机a/dd/a温度变换电路可控硅触发电路图1恒温控制器结构框图a/d的基本原理是对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，将输入电压平均植变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间隔，进而得到相应的数字量输出，该转换电路是对输入电压的平均值进行变换单相通用型可控硅触发板是通过调整可控硅的导通角来实现电气设备的电压电流功率调整的一种移相型的电力控制器，其核心部件采用国外生产的高性能、高可靠性

5、的军品级可控硅触发专用集成电路。输出触发脉冲具有极高的对称性及稳定性，且不随环境温度变化，使用中不需要对脉冲对称度及限位进行调整。现场调试一般不需要示波器即可完成。它（gbc2m-1系列与zkd6三相全数控系列）可广泛的应用于工业各领域的电压电流调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧及各种整流装置等* 电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节。该控制器选用mcs251 系列单片机8031 作为微控制器, 用户程序固化在eprom 芯片2764 中,系统配有4 位l ed 显示及小键盘.控制器的温度检测元件采用热敏电阻, 其检测温度经变换电路转换为标准电压信号. a/d 转换器转换的数据送

6、入8031, 经数字滤波、标度变换计算出实际温度并与设定温度值进行比较, 得到控制偏差. 由单片机实现的数字调节器按一定的算法产生相应控制量. 控制量由d/a 转换器转换成0 8v 的电压信号控制双向晶闸管的通断率, 通过调节加热功率达到控制温度的目的. 温箱的设定温度通过键盘完成.乘于0.0625即可得到实际温度。3、键盘和显示的设计键盘采用行列式和外部中断相结合的方法，图3中各按键的功能定义如下表1。其中设置键与单片机的脚相连，、yes、no用四行三列接单片机p0口，rest键为硬件复位键，与r、c构成复位电路。模块电路如下图3：表1：按键功能按键键名功能rest复位键使系统复位ret设置

7、键使系统产生中断，进入设置状态数字键设置用户需要的温度yes确认键用户设定目标温度后进行确认no清除键用户设定温度错误或误按了yes键后使用2.1 温度采样电路温度采样电路由温度变换电路和a/d转换器组成.2. 1. 1 温度变换电路温度变换电路由负温度系数热敏电阻rt 和集成运放lm 324 构成, 电路的测量范围设计为20 80. 热敏电阻具有较高的灵敏度, 但rt 在25常温下的阻值约为10k8 , 而100时却为7858 , 其非线性程度强, 因此需要对热敏电阻作非线性较正, 以保证温度变换电路的输出是线性变化. 经过对热敏电阻作线性补偿后, 在30 70 时具有较好的线性, 其它温度

8、范围可通过软件线性插值做进一步校正. 温度变换电路输出电压与温度的关系如表1 所示.表1温度与输出电压的关系t () 20222426283032343638v (v )0.5640.5930.6210.6580.6820.7250.610.8040.8530.903t ()40424446485052545658v (v )0.9370.9721.0081.0451.0801.1161.1321.1881.2211.258t ()60636567707274767880v (v )1.2921.3461.3801.4001.4701.5181.5631.6051.6421.6972.1.2

9、a/d 转换电路a/d 转换器采用了双积分式a/d 转换芯片mc14433. 该换芯片的分辨率为 11999(相当于11 位精度) , 电压量程为1. 999v 或199. 9 mv (本控制器中选用1. 999v 量程) , 具有过量程和欠量程输出标志, 片内具有自动极性转换和自动调零功能.mc14433 转换速度比较慢,但转换精度高, 抗干扰能力强, 外接元件少, 使用方便.mc14433 采用了扫描方法, 输出为312 位bcd 码, 从0000 1999 共2000 个数码, 当温度范围为0 100时,a/d 转换可达到0. 05/b it, 完全满足本系统的要求. 电路采用中断管理方

10、式, 每次转换结束后向8031 发出中断请求信号.2.2 温度控制电路8031对温度的控制是通过可控硅调功电路实现的, 原理如图2 所示. 本电路采用了调压调功原理, 通过调节控制电压v k 的大小来调节电压比较器a 1 输出脉冲信号v o 的占空比, 进一步控制加热丝的平均导通功率, 从而达到调节温度的目的. 此控制方式不需要复杂的同步电路, 控制器的导通为过零型导通. 电压比较器信号关系如图3 所图2功率控制电路原理 图3电压比较器信号温度控制元件采用了双向可控硅c332. 只要改变可控硅管的导通时间, 便可以改变加热丝功率.来自锯齿波发生器的信号v i (幅度为1. 66 6. 66v

11、, 频率为30 hz) 加至a 1 的同相端, 由d/a 转换器输出的控制电压v k (0 8 v ) 加至a 1 的反相端, 控制电路输出脉冲信号的临界电压为1. 66v. 当v k的值大于6. 66 v 时,a 1 的输出恒为低电平, 输低电平为moc3061 的导通信号. 在锯齿波的1 个周期内,v k 的值大于v i 时,a 1 输出低电平,v k 的值小于v i 时,a 1 输出高电平, 从而在a 1 的输出端形成一个脉冲宽度可变的脉冲信号, 该脉冲信号经光电耦合器moc3061 后加到可控硅的控制极, 直接控制双向可控硅的导通时间, 从而控制加热丝的平均加热功率. 可控硅回路与22

12、0v 电源相通, 光电耦合器的绝缘耐压能有效地把微机系统与220v 强电隔离.一种采用时间最优控制的p id 恒温控制器333moc3061 是内部具有过零检测器的光电耦合可控硅驱动器, 该器件用于触发可控硅时, 具有触发电路简单可靠的特点. 当其输入端为导通信号时, 负载端并不一定马上导通, 只有当电源电压过零时才能导通, 导通时波形是完整的, 因此减小了可控硅接通时的干扰. 经过反复调试、测量, 当v i 的频率为30 hz 时控制效果最佳.2.3 温度设定/显示电路系统配有小键盘与4 位l ed, 用于设定控制温度和显示实时温度. 显示器、键盘与8031 的接口芯片采用可编程接口芯片82

13、79, 完成键盘扫描与输出动态显示, 电路如图4 所示. 控制器在运行时可以方便地在线修改有关参数. 采用这种方法可减轻cpu 在扫描键盘和刷新显示时的负担, 也简化了编程.图4 8279 温度设定/显示电路3 控制算法及参数整定3.1 控制算法pid 控制是一种技术成熟、应用广泛的控制方法, 其结构简单, 参数整定方便,原理简单，易于实现，适用面较宽等特点 而且对大多数过程均有较好的控制效果,近半个世纪来一直是应用最广泛的一种控制器 因而本系统采用了p id 算法.对于采用调压调功方式的温度控制, pid 算式应当采用位置算式, 即u (k ) = u (k - 1) + u (k )式中，

14、kc，ti，td 分别为模拟调节器的比例增益，积分时间和微分时间；u0 为偏差 e=0时的调节器输出，常称之为稳态工作点。其中u (k ) = k p e (k ) - e (k - 1) + k ie (k ) + kd e (k ) - 2e (k - 1) + e (k - 2) 温度变化是个慢过程, 若单纯采用p id 控制, 当有较大扰动或大幅度改变给定值时, 会产生较大的偏差, 此时在积分项的作用下, 往往会产生较大的超调和长时间的波动. 因此在系统中采用了p id算法与时间最优控制相结合的控制方式.时间最优控制是pont ryagin 于1956 年提出的一种最优控制方法. 它是

15、研究满足约束条件下获得允许控制的方法, 也叫最大值原理. 用最大值原理可以设计出控制变量只在u ( t) 1 范围内取值时间最优控制系统. 而在工程上设u ( t) 1 都只取1 两个值, 而且依照一定的法则加以切换, 使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短, 这种类型的最优切换系统, 称为开关控制(bang- bang) 系统. 即uk =umaxe (k ) 00e (k ) 0uk 为t= kt 时控制器的输出, umax为系统的最大输出, e (k ) 为温度给定值与测量值之差, 当偏差大于零时, 控制器输出最大值, 控制对象加热. 当偏差小于等于零时, 控制器输出0,

16、 停止加热. 这种算法具有控制简单、实现方便等优点, 但当偏差接近零时, 系统容易发生振荡. 因此, 采用p id 算法与时间最优控制相结合的双模控制方式, 控制规律为e (k ) e时间最优控制e (k ) a 时，用 p或pd控制|e(k)| 2 时, 系统采用时间最优控制。子程序流程如图5 所示。4) 键盘中断服务程序: 由“r ”键决定是否进入设定温度状态, 并且配合l ed 显示器显示设定温度值。为防止输入错误,设置了“c”键与“e”键,分别表示取消温度设定与温度设定成功退出。5)adc 中断服务程序:完成对温度传感器输入信号的采集,并存入缓存区。原程序见附录1结 论本系统经过反复温

17、控试验以及连续运行的可靠性试验,最终确定了pid算法的参数。当系统施加给定升温时, 在2080范围内最大动态超调小于2, 稳态误差小于0.2,系统运行状态良好。恒温控制的精度不仅取决于系统是否是一阶无静差的,还取绝于检测通道的精度、控制算法的运算精度、工程量变换的精度等。 致 谢 首先，感谢在大学四年里所有教过我的老师，感谢他们教给我知识，还有做人的道理，他门广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师朱俊杰老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，朱老师倾注了大量的心血和汗水，无论

18、是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了朱老师热心的鼓舞、悉心细致的教诲和无私的帮助。 写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议、支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 参 考 文 献1 孙虎章.自动控制原理.北京:中央广播电视大学出版社.19842 李友善.自动控制原理.修订版.北京:国防工业出版社.19893 杨自厚.自动控制原理.北京:冶金工业出版社.19804 吴麒.自动控制原理.北京:清华大学出版社.19905 孟宪蔷.控制系统工程.北京:航空工业出版社.19926 绪方胜彦.现代控制工程.卢伯英等译

19、.北京:科学出版社.19767 郭锁凤.计算机控制系统.北京:航空工业出版社,19968 南航,西工大,北航合编.自动控制原理.北京:国防工业出版社,19969 张培强.matlab语言演草纸式的科学计算语言.合肥:中国科技大学出版社,199610周明等.matlab图形技术绘图及图形用户借口.西安:西北工业大学出版社,199911李人厚.精通matlab综合辅导与指南.西安”西安交通大学出版社 ,199812夏红,王慧,李平.pid参数的继电器自整定.浙江大学学报.1997.31增刊13陶永华,伊怡欣等.新型pid控制及其应用.北京:机械工业出版社,199814黄忠霖.控制系统matlab计

20、算及仿真.北京:国防工业出版社,200115韩利竹,王华.matlab电子仿真与应用.北京:国防工业出版社,200316罗建军,扬绮.精讲多练matlab.西安:西安交通大学出版社,200217姚俊,马松辉.simulink建模与仿真.西安：西安电子科技大学出版社,200218何立民. 单片机应用文集m . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990.19何忠克, 李伟. 计算机控制系统m . 北京: 清华大学出版社, 1998.20崔东剑, 于宏伟. 力源电子工程z . 武汉: 武汉力源电子股份有限公司, 2000.21解宏基, 任光. 一种多功能变频恒压供水单片机控制系统j . 自动化博览

21、, 1999.22刘金琨.先进pid控制及其matlab仿真m.北京：电子工业出版社,2003. 23薛定宇.反馈控制系统设计与分析m.北京：清华大学出版社,2000. 24钱积新 王慧 周立芳.控制系统得数字仿真及计算机辅助设计m.北京:化学工业出版社,2003. 附录1程序清单temper_l equ 29h ;用于保存读出温度的低8位temper_h equ 28h ;用于保存读出温度的高8位flag equ 38h ;是否检测到ds18b20标志位dayu equ 44h ;设温实温xiyu equ 45h ;设温实温deyu equ 46h ;设温=实温gaole equ 47h ;

22、水温高于最高温度dile equ 48h ;水温低于最低温度a_bit equ 79h ;数码管个位数存放内存位置b_bit equ 7ah ;数码管十位数存放内存位置c_bit equ 78h ;数码管小数存放内存位置 org 0000h ajmp start org 0003h ajmp pito org 0030h start: clr p1.7 clr p1.3 clr p1.5 setb p1.6 mov r4, #00h mov sp, #60h ;确立堆栈区 mov psw, #00h ; mov r0, #20h ;ram区首地址 mov r7, #60h ;ram区单元个数

23、ml: mov r0, #00h inc r0 djnz r7, ml clr it0 main:lcall get_temper ;调用读温度子程序进行温度显示,这里我们考;虑用网站提供的两位数码管来显示温度 ;显示范围00到99度,显示精度为1度 ;因为12位转化时每一位的精度为0.0625度, ;我们不要求显示小数所以可以抛弃29h的低4;位将28h中的低4位移入29h中的高4位,这;样获得一个新字节,这个字节就是实际测量获;得的温度 lcall display ;调用数码管显示子程序 jnb 00h, main clr 00h mov a, 38h cjne a, #00h, ss a

24、jmp main ss: lcall get_temper lcall display;调用数码管显示子程序 lcall bijiao lcall xiaoyu lcall jixian jnb deyu ,loop clr p1.3 ;关加热器 setb p1.6 ;关蓝灯 setb p0.7 ;关风扇 clr deyu lcall get_temper lcall display ajmp tt2 loop:jnb dayu ,tt clr dayu setb p1.3 setb p1.6 setb p0.7 clr p1.7 lcall get_temper lcall display

25、ajmp tt2 tt:jnb xiyu, tt2 clr xiyu clr p0.7 clr p1.6 clr p1.3 clr p1.7 lcall get_temper lcall display tt2:mov a, 29h clr c cjne a, 50h, jx mov a , 30h clr c cjne a, 51h, jia1 ajmp ys2 jia1:jc jx mov a, 51h mov 52h, a add a, #2 mov 52h, a clr c mov a, 30h cjne a, 52h, jia2 jia2:jnc jx ys2:setb p1.7 c

26、lr p1.6 mov r5, #20h ys:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys1:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys1 ys3:setb p1.7 clr p1.6 mov r5, #20h ys0:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys0 clr p1.7 setb p1.6 mov r5, #20h ys01:lcall get_temper lcall display djnz r5, ys01 ys4:setb p1.7 clr p1.6 mov r5,