温度控制系统设计——计算机控制技术课程设计-精品

1、学号：0121311370627课程设计题目温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化专业班级1303 班姓名李 杰指导教师周申培2016年6月1日课程设计任务书学生姓名：李杰专业班级：自动化 1303 班指导教师：周申培工作单位 ：自动化学院题目:温度控制系统设计要求完成的主要任务 : 被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0 5伏时对应电炉温度 0 300，温度传感器测量值对应也为0 5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为 T130秒，滞后时间常数为 10秒。1

2、）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）编写积分分离PID 算法程序，从键盘接受K p、 Ti 、Td、T 及 的值；3）通过数据分析Ti 改变时对系统超调量的影响。4）撰写设计说明书。时间安排：5 月 24 日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计5 月 25 日6 月 1 日完成硬件设计并调试6 月 2 日提交课程设计指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目 录摘 要 .11设计任务及分析 .21.1设计任务要求 .21.2设计系统分析 .22方案设计 .32.1硬件系统设计 .32.2软件流程图 .43控制算法 .53.1 PID 控制算法 .53.2积分分离的

3、 PID 控制控制算法 .64系统仿真 .74.1仿真程序及图形 .74.2仿真结果 .84.3结果分析 .105心得体会 .11参考文献.12本科生课程设计成绩评定表摘 要比例 -积分 -微分控制（简称 PID 控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。利用计算机可以很好地使用PID 算法对控制对象进行控制，具有较高的精度，并且可以很方便的改变PID 参数，以达到不同的控制效果。本设计的控制对象为电热炉，控制量为电炉温度，利用单片机对大功率可控硅导通角的控制，可以很方便地改变电热丝两端的电压，从

4、而起到调节温度的作用。而热电偶配合单片机编程，能够较精确地得到炉温，使单片机能够实时发出控制信号，快速将炉温调节为给定值。当外界出现干扰使炉温发生变化时，单片机能够通过 PID 算法快速使炉温回到给定值。为了使 PID 控制更加稳定可靠，本设计加入了积分分离的改进措施，当偏差较大时取消积分作用，利用 PD 控制快速使系统趋于稳定；当偏差小于某一个值时，加入积分作用，以消除静差。利用 Matlab 软件，可以通过仿真得到 Ti 改变对系统超调量的影响。关键词： PID 控制Matlab系统超调量11 设计任务及分析1.1 设计任务要求被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻

5、丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0 5伏时对应电炉温度 0 300，温度传感器测量值对应也为 05伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为 T130秒，滞后时间常数为 10秒。要求完成的任务：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）编写积分分离PID 算法程序，从键盘接受K p、 Ti 、Td、T 及 的值；3）通过数据分析Ti 改变时对系统超调量的影响。4）撰写设计说明书。1.2 设计系统分析本系统的以电炉为控制对象，以电炉温度为控制量，利用温度传感器实时检测电炉温度，并将测得的数据经过A/D 转换后送入计算

6、机， 计算机系统将检测得到的温度与炉温给定值进行比较，并计算偏差，按照预置的控制算法，对可控硅控制器的导通角进行调节，从而可以控制热阻丝两端的电压，起到温度调节的作用。利用单片机可以方便地实现数据采集、转换、处理以及PID 算法控制，并通过键盘对一些重要参数进行修正，还具有系统小巧、稳定可靠以及成本较低等优点。由于本次控制对象为电炉，其时间常数较大，因此采用周期不宜过小，避免系统响应过于频繁，降低计算机系统的效率并使控制品质变坏，但也不能太大，否则会使误差不能及时消除。22 方案设计2.1 硬件系统设计本系统硬件部分主要由温度传感器、 D/A 转换电路、信号调理电路和 I/V 变换、单片机系统

7、、 A/D 转换电路、可控硅及其控制电路以及电炉组成。温度控制系统硬件框图如图2-1 所示。信号调理及A/D温度传感器转换I/V 变换单键盘片输入控制机可控硅D/A电炉转换控制电路图 2-1 温度控制系统硬件框图温度传感器主要有热电偶、金属热敏电阻和半导体热敏电阻等几种。其中，热电偶测温范围广，可在 1K2800范围内使用，并且具有精度高、性能稳定、结构简单、动态性能好等优点，缺点是线性度很不好，需要预置温度 - 电压分度表。金属热敏电阻主要有铂热电阻和铜热电阻， 前者可在 -200800范围内使用，后者一般只在 -50150范围内使用，而铂热电阻价格较贵，因此并不太适合本次设计使用。半导体热

8、敏电阻一般来说测温范围较小，此处不予考虑。综合比较，选用金属热电偶相对来说更加适宜。由于本设计采用单片机为控制核心，因此，将金属热电偶的温度 -电压分度表写入单片机的 ROM 中可以很方便的通过查表程序得到实时温度。A/D 转换器采用 8 位逐次逼近式 A/D 转换芯片 ADC0809，其转换时间在 100us 左右，线性误差为（ 1/2） LSB，工作温度范围为 -4585 ，功耗为 15mW。D/A 转换器采用 8 位 D/A 转换芯片 DAC0832，其电流建立时间为 1us，单一电源供电+5+15V，功耗为 20mW。单片机采用 AT89S52，具有 8K 片内 ROM 和 256B

9、的片内 RAM ，32 位 I/O 口， 3 个16 位定时器 /计数器，具有RAM 数据掉电保护功能。32.2 软件流程图开始系统初始化并输入给定温度值全速加热炉温测量Y炉温下限温度N炉温下限温度NPID 算法控制炉温N炉温等于目标温度且稳定Y结束图 2-2 温度控制系统软件流程图停止加热Y温度控制系统的软件流程图如图2-2 所示，系统开始工作时会检测炉温，一般情况下此时炉温比给定值低，于是电炉开始全速加热。于此同时，系统会按照预定的采样周期进行采样，当检测炉温在上限温度和下限温度之间，那么开始进行PID 控制，并继续按照预定的采样周期进行采样，直至温度稳定为给定值。43 控制算法3.1 P

10、ID 控制算法模拟 PID 控制器的控制规律为1te(t )dt TDde(t)（2-1）u(t ) Kpe(t )TI0dt在 PID 调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差， K P 的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强就会使系统超调增大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，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。为了便于计算机实现 PID 控制算法，必须将

11、式（ 2-1）变换成差分方程，以得到数字PID 位置型控制算式u(k) Kp e(k )Tke(i ) TDe(k)e( k1) （2-2）TI i0T根据式（ 2-2）可写出 u(k-1) 的表达式u(k1) Kp e(k1)Tk 1e( k1)e(k2)（2-3）TIe(i )TDTi 0将式（ 2-2）与式（ 2-3）相减，可以得到数字PID 增量型控制算式为u( k)Kpe( k) e( k1)K I e(k )K D e( k)2e(k 1)e( k 2)（2-4）相对于位置型算法，增量型算法不需要做累加，计算误差或计算精度对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去的累加值，容易

12、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，并且逐渐增大的累加误差可能引起系统冲击，严重影响系统的稳定性。综合考虑，应该使用增量型数字PID 控制算法来增加系统的稳定性以及控制精度。53.2 积分分离的PID 控制控制算法在一般的 PID 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于有较大的误差，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，特别对于温度、 成分等变化缓慢的过程， 这一现象更为严重。 本设计的控制量为炉膛温度，具有较大的惯性和滞后性，因此，可以采用积分分离措施，当偏差 e(k)较大时，取消积分作用；当偏差 e(

13、k)较小时，再将积分作用投入。即当|e(k)| 时，采用 PD 控制；当|e(k)| 时，采用 PID 控制。积分分离阈值 应根据具体对象及控制要求确定。若 值过大，则达不到积分分离的目的；若 值过小，则一旦被控量 y( t )无法跳出各积分分离区，只进行 PD 控制，将会出现残差，为了实现积分分离，编写程序时必须从数字 PID 差分方程式中分离出积分项，进行特殊处理。积分分离 PID 控制算法流程图如图3-1 所示。开始温度数据采集Ne(k)YPD 控制PID 控制控制器输出结束图 3-1 积分分离PID 控制算法流程图64 系统仿真4.1 仿真程序及图形根据所给条件，控制对象的传递函数为G

14、(s)e-10s130s通过 Matlab 仿真，取 K p=0.1， Ti =50，Td=20， T=5s， =0.1，在 Matlab Command 窗口中输入如下程序语句：clear all;close all;ts=5;%采样时间 5ssys=tf(1,30,1);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=0.1;ti=50;td=10;beta=0.1;ki=kp*ts/tikd=kp*td/ts按下回车键，使 Matlab 程序接受这些数据。随后在 Simulink 中画出系统仿真图

15、，如图4-1 所示。该图中对积分项进行了积分分离处理，当偏差当 |e(k)|时， Switch 开关打到上方，移除了积分调节作用，采用PD控制；当 |e(k)|时， Switch 开关打到下方，加入积分调节作用，采用PID 控制。这样可以减小超调，减小波动，并消除稳态误差。改变程序中 Ti 的值，即可以得到不同的结果，从而可以得出Ti 改变对系统超调量的影响。7图 4-1仿真模型4.2 仿真结果(1)当 Ti=50 时，仿真图如图4-2 所示。可以看出，此时系统出现震荡，因此，系统不稳定。8图 4-2 Ti =50 时的系统仿真图(2)Ti=100 时，仿真图如图4-3 所示，可以计算出系统的

16、超调量为1.31%100%30%1图 4-3 Ti =100 时的系统仿真图(3) Ti =200 时，仿真图如图 4-4 所示，可以计算出系统的超调量为%1.2 1 100% 20%1图 4-4 Ti=200 时的系统仿真图9（4）Ti=200 时，仿真图如图4-4 所示，可以计算出系统的超调量为%1.151 100% 15%1图 4-5 Ti=500 时的系统仿真图4.3 结果分析通过仿真可以看出， 当 K 、Td、T、 取了合适的值后， 改变 Ti 既会改变系统的稳定性，又会使系统的动态性能发生较大的改变。Ti 越大，积分作用越弱，而相应的系统超调量越小，说明积分作用会使系统超调量增大；

17、Ti 越小，积分作用越强，系统的超调越大。仿真结果中，当 Ti=50 时，系统甚至出现不稳定的情况。因此，积分时间常数 Ti 必须取恰当值，积分作用过强，会使系统超调过大，甚至不稳定；积分作用太弱，消除静差的速度太慢，会使系统长时间的振荡。105 心得体会本学期学习了计算机控制技术这门课程后，本人对计算机控制的基本原理有了一定的掌握，但是，却没有经过实践，一些具体的控制算法该怎么实现，如何设置参数才能使系统的稳定性更加可靠，本人感觉有些迷茫。因此，本次课程设计正好给了我一个实践的机会。本次课程设计，要求设计一个温度控制系统，画出其硬件框图，并通过PID 算法对其稳定性进行控制。虽然课程中讲了许

18、多关于PID 算法的知识，但并没有给出例子，而本人在生活中也没有经过这方面的实践，因此，刚拿到课设题目时有一些不知所措。经过几天查阅资料，学习别人留下的经验，我开始思考本设计该如何下手。由于本设计要求画出硬件框图，并没有要求给出具体的硬件连接图，因此降低了设计难度。在有了大体的设计框架后，我开始着手本设计，并取得了不错的进展。在使用 Matlab 进行仿真时，由于有一段时间没有用到 Matlab，使用时略显生疏。 通过查阅与 Matlab 相关的书籍， 这方面的困难也得到了解决，最终得到了正确的仿真结果。通过本次课程设计，我深刻体会到团队协作的重要性。由于我和好几位同学的题目比较相似，在遇到困难的地方时，我们相互帮助，共同解决问题，使得解决问题的效率大大提高。这也令我明白了一个道理，在我们日常的学习生活中乃至毕业后参加工作了，都要有一份团队意识。在当今的社会中，只有团队的力量才是最伟大的！11参考文献1. 于海生 . 计算机控制技术 . 机械工业出版社， 20102. 彭虎，周佩玲 . 微型计算机原理与应用 . 电子工业出版社， 20083. 沈美明，温冬婵 . IBM-PC 汇编语言程序设计 . 清华大学出版社4. 刘教瑜 . 单片机原理及应用 . 武汉理工大学出版社， 20115. 姚燕南，薛钧义 . 微型计算机原理 . 西安电子科技大学出版社6. 沙占