課程設計--單片機溫度控制系統

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 設計思路1</p><p>　　1.1 方案的論證1</p><p>　　1.1.1利用單片機實現恒溫控制系統2</p><p>　　1.1.2利用PLC實現恒溫控制系統2</p><p>　　1.1.3利用模擬PI

2、D調節的恒溫控制系統3</p><p>　　1.2 設計方案3</p><p>　　第2章 溫度控制系統硬件設計4</p><p>　　2.1 AT89S52單片機簡介5</p><p>　　2.1.1 AT89S52單片機資源簡介5</p><p>　　2.1.2 AT89S52單片機信號引腳介紹6&

3、lt;/p><p>　　2.1.3 AT89S52單片機時鐘和復位電路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與上位機通訊11</p><p>　　第3章 溫度控制系統軟件設計13</p><p>　　3.1 PID調節器控制原理13</p>

5、<p>　　3.2 位置式PID算法14</p><p>　　3.3 數字PID參數的整定14</p><p>　　3.3.1 采樣周期選擇的原則15</p><p>　　3.3.2 PID參數對系統性能的影響16</p><p>　　3.4 PID計算程序17</p><p>　　第4章 系統

6、仿真與檢測27</p><p>　　4.1系統仿真方框圖27</p><p>　　4.2穩定邊界法整定PID參數28</p><p><b>　　總結31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　第1章 設計思

7、路</b></p><p><b>　　1.1 方案的論證</b></p><p>　　無論是工農業生產中，還是日常生活中，對溫度的檢測和控制都是必不可少的，對于溫度的檢測通常是采用熱敏電阻在通過A/D（模/數）轉換得到數字信號，但由于信號的采集對整個系統的影響很大，如果采樣精度不高，會使這個系統準確性下降。因此本次設計采用高精度的溫度傳感器：數字溫度傳感

8、器DS18B20。這種數字溫度傳感器是DALLAS公司生產的單總線，。而對于溫度控制的方法也有很多：如單片機控制、PLC控制、模擬PID調節器和數字PID調節器等等。綜合各方面的意見，本設計采用單片機來實現溫度的控制。</p><p>　　1.1.1利用單片機實現恒溫控制系統</p><p>　　利用單片機系統實現溫度恒定的控制，其總體結構圖如圖1.1所示。系統主要包括現場溫度采集、實時溫

9、度顯示、加熱控制參數設置、加熱電路控制輸出、與報警裝置和系統核心AT89S52單片機作為微處理器。</p><p>　　圖1.1 方案一的系統總體結構框圖</p><p>　　溫度采集電路以數字量形式將現場溫度傳至單片機。單片機結合現場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經編程固化的模糊控制算法計算出實時控制量。以此控制量控制固態繼電器開通和關斷，決定加熱電路的工作狀態，使溫度逐步穩定于用戶

10、設定的目標值。在溫度到達設定的目標溫度后，由于自然冷卻而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設置的目標溫度比較，作出相應的控制，開啟加熱器。當用戶需要比實時溫度低的溫度時，此電路可以利用風扇降溫。系統運行過程中的各種狀態參量均可由數碼管實時顯示。</p><p>　　1.1.2利用PLC實現恒溫控制系統</p><p>　　利用PLC實現對溫度恒定的控制，其控制系統的結構框圖如圖1.2

11、所示：采用PLC控制實現電熱絲加熱全通、間斷導通和全斷加熱的自動控制方式，來達到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進行比較，構成閉環系統，生成溫差電壓Vt，PLC自適應恒溫控制電路，根據Vt的大小計算出全通、間接導通和全斷的自適應恒溫控制電路，并將占空比可調的控制電平經輸出隔離電路去控制可控硅門極的通斷，實現自適應的恒溫控制。若溫度升的過快，PLC也將輸出關斷電平信號轉換為可控硅電路相匹

12、配的輸入信號。</p><p>　　圖1.2 方案二的系統結構框圖</p><p>　　1.1.3利用模擬PID調節的恒溫控制系統</p><p>　　基于模擬PID調節的恒溫控制系統由數字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統的機構框圖如圖1.3所示。由按鍵設定某一溫度，單片機對設定溫度值進行查表計算后轉換為對應的電壓數字值，通過16位的數模轉換器得到與之精確

13、對應的電壓信號，此電壓值于熱敏電阻實際測量的電壓值進行比較產生一個誤差信號，經過PID電路后，獲得一個控制量給制冷元件構成實時閉環系統，同時實際測量的電壓值并顯示在液晶屏上。</p><p>　　圖1.3 方案三的系統結構框圖</p><p><b>　　1.2 設計方案</b></p><p>　　控制模塊的選擇，數字比較器與模擬控制器相比較

14、，數字比較器具有以下幾個優點：</p><p>　　1、模擬調節器調節能力有限，當控制規律較為復雜時，就難以甚至無法實現。而數字控制器能實現復雜控制規律的控制。</p><p>　　2、計算機具有分時控制能力，可實現多回路控制。</p><p>　　3、數字控制器具有靈活性。起控制規律可靈活多樣，可用一臺計算機對不同的回路實現不同的控制方式，并且修改控制參數或控制方

15、式一般只可改變控制程序即可，使用起來簡單方便，可改善調節品質，提高產品的產量和質量。</p><p>　　4、采用計算機除實現PID數字控制外，還能實現監控、數據采集、數字顯示等其他功能。綜合考慮，本設計控制模塊采用數字PID調節器。</p><p>　　對于方案一，采用單片機實現恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強，但對于系統的動態性能與穩態性能要求較高的場合是不合適的；而對

16、于方案二，采用PLC實現恒溫控制，由于PLC成本高，且PLC是外圍系統配置復雜，不利于我們的設計，由于數字PID調節，運算量大，只要選擇合適的參數對于溫度的控制精度往往能達到較好的效果。為了使設計的成本低、抗干擾強，系統動態性能與穩態性能好的前提下，設計方案的總體結構框圖如圖1.4所示：通過單片機對偏差進行PID運算，輸出控制D/A轉換電路轉換成0—8V電壓信號來控制可控硅觸發電路，從而控制可控硅通斷率，通過調節加熱功率即可達到控制溫度

17、恒定的目的。</p><p>　　圖1.4 設計總體結構框圖</p><p>　　第2章 溫度控制系統硬件設計</p><p>　　考慮到盡量降低成本和避免與復雜的電路，此系統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、片內含8k byte可反復檫寫的Flash 、只讀程序器CMOS8位單片機AT89S52；溫度傳感器采用DALLAS公司生產的

18、單總線數字溫度傳感器DS18B20；采用控制端TTL電平，即可實現對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動；單片機所需要的+5V工作電源是通過220V交流電壓通過變壓、整流、穩壓、濾波得到。實時控制的顯示器、鍵盤通過單片機來完成鍵盤掃描與輸出動態顯示?？紤]到系統對傳輸速度的要求不高，在PCA機上設定和實時顯示溫度，系統配有RS232串行通訊端口，下面對硬件電路作具體的設計。</p><

19、p>　　2.1 AT89S52單片機簡介</p><p>　　2.1.1 AT89S52單片機資源簡介</p><p>　　AT89S52的結構如圖2.1所示。由于它的廣泛使用使得市面價格較8155、8255、8279要低，所以說用它是很經濟的。該芯片具有如下功能：①有1個專用的鍵盤/顯示接口；②有1個全雙工異步串行通信接口；③有2個16位定時/計數器。這樣，1個89S52，承擔了

20、3個專用接口芯片的工作；不僅使成本大大下降，而且優化了硬件結構和軟件設計，給用戶帶來許多方便。</p><p>　　89S52有40個引腳，有32個輸入端口（I/O），有2個讀寫口線，可以反復插除。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</p>&

21、lt;p>　?。?）32個雙向I/O口線</p><p>　?。?）3個16位可編程定時/計數器中斷</p><p>　?。?）2個串行中斷口 </p><p>　?。?）2個外部中斷源</p><p>　?。?）2個讀寫中斷口線</p><p>　　

22、（7）低功耗空閑和掉電模式</p><p>　?。?）8k可反復擦寫(>1000次)Flash ROM</p><p>　?。?）256x8 bit內部RAM</p><p>　?。?0）時鐘頻率0-24MHz</p><p>　?。?1）可編程UART串行通道</p><p>　?。?2）共6個中斷源</

23、p><p><b>　?。?3）3級加密位</b></p><p>　?。?4）軟件設置睡眠和喚醒功能。</p><p>　　2.1.2 AT89S52單片機信號引腳介紹</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</p><p>　　在系統擴展時,ALE用于控制把口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來,以實現低位地址和數據的分時傳送。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脈沖使用。</p><p>　　外部程序存儲器讀選通信號</p><p>　　在讀外部ROM時, 有效(低電平),以實現外部ROM單元的讀操作。</p><p>　　訪問程序存儲趨控制信號</p><p>　　但信號為低電平時,對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當信號為高電平時,則對ROM

26、的讀操作是從內部程序存儲器開始,并可延續至外部程序存儲器。</p><p>　　RST 復位信號</p><p>　　當輸入的復位信號延續2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位操作。</p><p>　　和 外接晶體引線端</p><p>　　當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用語外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘

27、時，用于接外部時鐘脈沖信號。</p><p><b>　　地線</b></p><p><b>　　+5V電源</b></p><p>　　2.1.3 AT89S52單片機時鐘和復位電路</p><p><b>　　時鐘電路</b></p><p>　　

28、單片機內部有一個高增益反向放大器，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電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對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。震蕩電路產生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經分頻后再為系統所用，震蕩脈沖經過二分頻后才作為系統的時鐘信號。在設計電路板時，振

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

30、lt;/b></p><p>　　在加電之后通過外部復位電路的電容充電來實現的。當的上升時間不超過1ms，就可以實現自動上電復位，即接通電源就完成了系統的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發器的閥值電壓以上足夠長時間，滿足復位操作的要求。</p><p><b>　　(b) 按鍵復位：</b></p><p>　　程序運行

31、出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為了擺脫困境，也需按復位鍵以重新啟動。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效。按鍵復位又分按鍵脈沖復位（圖2.3）和按鍵電平復位。電平復位將復位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復位是利用RC分電路產生正脈沖來達到復位的。</p><p><b>　　(c) 注意：</b></p><p>　　因為按鍵脈沖復位是利用RC微分電路

32、產生正脈沖來達到復位的。所以電平復位要將復位端通過電阻與相連.如復位電路中R、C的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環復位狀態。故本設計采用按鍵復位。</p><p><b>　　溫度傳感器</b></p><p>　　溫度測量轉換部分是整個系統的數據來源，直接影響系統的可靠性。傳統的溫度測量方法是：溫度傳感器例如AD590，將測量的溫度轉換成模擬電信號，再經

33、過A/D轉換器把模擬信號轉換成數字信號，單片機再對采集的數字信號進行處理[3]。這種模擬數字混合電路實現起來比較復雜，濾波消噪難度大系統穩定性不高，鑒于這些考慮，本設計采用數字式溫度傳感器DS18B20。</p><p>　　DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為-55°C～+125°C，現場溫度直接以“一線總線”的數字式傳輸，大大的提高了系統的抗干擾性。DS18B20為3引腳，

34、 DQ為數字信號輸入/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腳接系統中單片機的P1.4口線，用于將采集到的溫度送入單片機中處理，2腳和3腳之間接一個4.7K上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器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溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。數據轉換如下表2.1。</p><p>　　表2.1 DS18B20溫度數據轉換表</p><p>　　這是12位轉化后得到的12位數

36、據，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。</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>　　變壓部分其實就是一個變壓器，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的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份，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 穩壓電路</p><p>　　在這的穩壓電路中我使用的是“三端固定輸出集成穩壓器”，穩壓電路的作用是當輸入交流

39、電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定。集成穩壓器、使用方便、性能穩定、更重要的是考慮到它的價格低廉，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合的方法，各按鍵的功能定義如下表2.2。其中設置鍵與單片機的腳相連，、YES、NO用四行三列接單片機P0口，REST鍵為硬件復位鍵，與R、C

40、構成復位電路。</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動態顯示方式,顯示內容有溫度值的十位、個位及小數點后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74HC244作驅動。P1.0—P1.2作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅動[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。用于在閉環控制系統中對被控對象實施控制，被控對象為電熱杯，采用對加在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端TTL電平，即可實

42、現對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片機的P1.3為高點平時，三極管驅動固態繼電器工作接通加熱器工作，當單片機的P1.3為低電平時固態繼電器關斷，加熱器不工作。</p><p>　　圖2.8 加熱控制電路</p><p><b>　　2.6與上位機通訊</b></p><p>　　由于系統采用計算機

43、對系統進行數據監控和顯示。所以要進行通信電路的設計。PC機內裝有異步通信適配器板，其主要的器件為8250UART芯片，它使PC機有能力與其他具有標準RS-232串行口通信接口的計算機或儀器設備通信，而MCS-51單片機本身具有全雙工的串行口。因此只需要配一些驅動、隔離電路就可以構成了洋分布式系統，其連接圖如圖2.9所示，由于MCS-51單片機串行口是標準的TTL電平，為使其與RS-232電平接口，在MCS-51單片機串行口聯有1488和

44、1489，以實現電平匹配。由于1448的輸出端不能相互并聯，故加上一個二極管進行隔離 [2]。</p><p>　　圖2.9 PC機與單片機的接口電路</p><p>　　在主機通信軟件中，首先根據擁護的要求和通信協議規定，對8250進行初始化。設置的8250的初始化數據是：波特率為9000b/s；8位數據位；1位奇偶校正位；1位停止位。由于從機MCS-51的格式固定為四種方式，本設計采

45、用方式3。因此這里的奇偶校正位用做發送地址/數據特征位（1表示地址），而數據通訊的校正采用累加和校驗法。數據的發送和接收采用查詢方式，其程序框圖如圖2.10所示，在發送時，先用輸入指令檢查發送器的保持寄存器是否為空。若為空，則輸出指令將一個數據輸出給8250，8250會自動將數據一位一位地發送到串行口通信線上。在接收時，8250把串行口數據轉換成并行數據，并送入到接收數據寄存器中，同時把“接收數據就緒”信號置于狀態寄存器中，CPU讀到這

46、個信號后，就用輸入指令從接收器中讀入一個數據。</p><p>　　圖2.10 PC機通信軟件框圖</p><p>　　第3章 溫度控制系統軟件設計</p><p>　　3.1 PID調節器控制原理</p><p>　　在控制系統中,控制器最常用的控制規律是PID控制。PID控制系統原理框圖如圖3.1所示。系統由PID控制器和被控對象組成

47、。</p><p>　　圖3.1 PID控制系統原理框圖</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器,一種它根據給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差：</p><p>　　Error(t)=rin(t)-yout(t)</p><p>　　PID控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規律。即，

48、控制器的輸出為：</p><p>　　或寫成傳遞函數的形式：</p><p>　　左中， kp——比例系數；Ti——積分時間常數；T d——微分時間常數。</p><p>　　簡單說來，PID控制器各校正環節的作用如下[5]：</p><p>　　比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號error(t),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，

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

50、在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。</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(也稱調節器)的輸出；</p><p>　　e(t)——控制器的輸入（常常是設定值與被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；</p><p>　　Kp——控制器的比例放大系數；</p><p>　　Ti ——控制器的積分時間；</p><p>　　Td——控制器的微分時間。</p>

52、<p>　　設u(k)為第k次采樣時刻控制器的輸出值，可得離散的PID算式</p><p><b>　　式中 ， 。</b></p><p>　　由于計算機的輸出u(k)直接控制執行機構（如閥門），u(k)的值與執行機構的位置（如閥門開度）一一對應，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：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態有關，計算時要對e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應的是執行機構的實際位置，如果計算機出現故障，u(k)的大幅度變化會引起執行機構位置的大幅度變化。</p><p>　　3.3 數字PID參數的整定 </p><p>　　PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和

54、微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。本設計采用PID歸一整定法把對控制臺三個參數（Kc、Ti、Td,）轉換為一個參數， 從而使問題明顯簡化。以達到控

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質量的性能指標。</p><p>　　3.3.1 采樣周期選擇的原則</p><p>　?。?）根據香農采樣定理，系統采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時系統可真實地恢復到原來的連續信號。 </p><p>　?。?）從執行機構的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時間。</

56、p><p>　?。?）從控制系統的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。 </p><p>　?。?）從微機的工作量和每個調節回路的計算來看，一般要求采樣周期大些。 </p><p>　?。?）從計算機的精度看，過短的采樣周期是不合適的。 </p><p>　?。?）當系統滯后占主導地位時，應使滯后時間為采樣周期的整數倍</p>

57、<p>　　下表3.1列出了幾種常見的被測參數的采樣周期T的經驗選擇數據?？晒┰O計時參考。實際上生產過程千差萬別，經驗數據不一定就合適，可用試探法逐步調試確定。</p><p>　　表3.1 采樣周期的經驗數據表</p><p>　　3.3.2 PID參數對系統性能的影響</p><p>　　表3.2 PID參數對系統性能的影響</p>

58、<p>　　綜上所述，（Kp、Ti、Td,）對系統的性能影響如表3.3所示：</p><p>　　表3.3 Kp、Ti和Td對系統的影響</p><p>　　3.4 PID計算程序 </p><p>　　PID調節規律的基本輸入輸出關系可用微分方程表示為：</p><p>　　式中為調節器的輸入誤差信號，且</p>

59、<p><b>　　、</b></p><p>　　其中：為給定值，為被控變量；</p><p>　　為調節器的輸出控制信號；</p><p><b>　　為比例系數；</b></p><p><b>　　為積分時間常數；</b></p><p

60、><b>　　微分時間常數。</b></p><p>　　計算機只能處理數字信號，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計算△只需要保留現時刻以及以前的兩個偏差量和。初始化程序初值通過采樣并根據參數、、以及、和計算△。</p><p>　　根據輸出控制增量△，

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象和滯后的一階對象，所以式中、、的選擇取決于電阻爐的階躍響應曲線和實際經驗，工程上已經積累了不少行之的參數整定方法。本設計采用Ziegler-Nichols提出的 PID歸一調整法，調整參數，主要是為了減少在線整定參數的數目，常常人為假定

64、約束條件，以減少獨立變量的個數，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），是系統產生等幅振蕩的比例增益，這時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>　　從而可以調節的參數只有一個?？稍O計一個調整子程序，通過鍵盤輸入改變值，改變運行參數，使系統滿足要求。</p><p>　　下面對PID運算加以說明：</p><p>　　所有的數都變成定點

66、純小數進行處理。</p><p>　　算式中的各項有正有負，以最高位作為符號位，最高位為0表示為正數，為1表示</p><p>　　負數。正負數都是補碼表示，最后的計算以原碼輸出。</p><p>　　雙精度運算，為了保證運算精度，把單字節8位輸入采樣值和給定值都變成雙字節16位進行計算，最后將運算結果取成高8位有效值輸出。</p><p>

67、　　輸出控制量的限幅處理。為了便于實現對晶閘管的通斷處理，PID的輸出現在在0～250之間。大于250或小于0的控制量都是沒有意義的，因在算法上對進行限幅，即</p><p><b>　　= </b></p><p>　　PID的計算公式采用位置式算法，計算公式為</p><p><b>　　+</b><

68、/p><p>　　= PID計算的程序流程圖圖3.2所指示；而參數內存分配表如表3.4所列。</p><p>　　表3.4 參數內存分配表</p><p>　　圖3.2 PID計算程序的流程圖</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>　　負數雙字節-（R3R2

84、）求補，結果仍存放于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>　　雙字節無符號乘法子程序：</p><p>　　入口（R7R6）=被乘數；</p><p>　?。≧5R4）=乘數。</p><p>　　出口（R0）=乘積的4字節地址指針。</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>　　雙字節帶符號數乘法子程序:</p><p>　　帶符號數用補碼表示,最高位1表示負數,為0表示正數.</p><p>　　入口（R7R6）=被乘數；</p><p>　?。≧5R4）=乘數；</p><p>　　SIGN1標號位地址5CH；</p><p>　　SIGN2

97、標號位地址5DH。</p><p>　　出口（R0）=乘積的4字節地址指針。</p><p>　　雙節帶符號程序流程圖如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 雙字節帶符號程序流程圖</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 系統仿真與檢測</p><p>　　4.1系統仿真方框圖</p><p>　　

108、進入SIMULINK環境，在元件庫里選擇所需要是元件，用鼠標將器件連接起來，得到一個完整方框圖，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 系統仿真方框圖</p><p>　　4.2穩定邊界法整定PID參數</p><p>　　使用邊界法整定PID參數分為一下幾個步驟：</p><p>　　將積分系數Ki和Kd 設為0，Kp置較小的值，

109、使系統投入穩定運行。若系統不能穩定運行，則采用其它校正方式。</p><p>　　逐漸增大比例系數Kp，直到系統出現等幅振蕩，即所謂臨界振蕩過程。記錄此時臨界振蕩增益Kp和振蕩周期T。</p><p>　　按照下表4.1所指示的經驗公式和校正裝置類型整定相應的PID參數，然后再進行仿真。</p><p>　　表4.1 穩定邊界參數的計算公式</p>

110、<p>　　在SIMULINK下可以如下實現：先取較大的Kp1，使系統出現不溫度的增幅振蕩；然后采取折半取中的辦法尋找臨界增益。當Kp1=2.5時系統放散；而當Kp1=2是系統收斂；因此，只要當Kp1處于2~2.5之間時，系統會出現臨界振蕩。當KP1=2.36時系統出現臨界振蕩，有如圖4.2所示的等幅振蕩的階躍響應曲線</p><p>　　圖4.2 等幅振蕩的階躍響應曲線</p><

111、;p>　　此時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，因此取T=2.1s。下一步即可算出按穩定邊界法表6-21整定的PID參數了。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均為臨界增益時的Kp1,此時的PID參數為</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>　　系統的階躍響應曲線如圖4.3所示.</p><p>　　圖4.3 穩定邊界法整定的系統階躍響應曲線</p><p>　　由于該系統的響應曲線調節時間為8s就，具有快速性,可超調量大于60%，通過對系統參數的調節，可以得到表格如表4.2，如表所示，系統的動態和穩態性能：</p><p>　　表4.2 PID參數與系統性能之間的關系<

116、;/p><p>　　從表4.2，可以得到系統PID調節的參數，當Kp=0.03，Ki=0.029，Kd=0.008時，系統無超調量，準確性高且調節時間為30s具有快速性。在MATLAB中SIMULINK環境下仿真的結果如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 PID調節后系統階躍響應曲線</p><p>　　Kp=0.03, Ki和 Kd仍是由穩定邊界法整定得到

117、的。從圖4.3中可以看出，系統的超調量都有所降低，滿足本次設計的要求。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　本設計的溫度控制系統具有成本低，控制可靠等優點。通過驗證該溫度控制系統已達到預期的控制要求。在做本課設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，又學會了一些新的內容。對我有很大的提高。</

118、p><p><b>　　參考文獻</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. 智能儀器原理及應用［M］．北京：電子工業出版社，2006：130-132.</p><p>　　[3] 黃賢武，鄭筱霞. 傳感器原理

119、與應用［M］．成都:電子科技大學出版社,高等教育出版社,2005:76-108.</p><p>　　[4] 清源計算機工作室. Protel99SE原理圖與PCB及仿真［M］．北京：機械工業出版社，2005：113-122</p><p>　　[5] 黃堅. 自動控制原理及其應用［M］．北京:高等教育出版社,2004:246-273.</p><p>　　[6]

120、張曉華. 控制系統數字仿真欲CAD［M］．北京：機械工業出版社，2003：124-140.</p><p>　　[7] 歐陽黎明. MATLAB控制系統設計［M］．北京：國防科技大學出版社，2001：203-227.</p><p>　　[8] 王幸之,鐘愛琴,王雷,王閃. AT89系列單片機原理及接口技術［M］．北京：北京航天大學出版社，2004：489-504.</p>