计算机控制技术温度控制系统设计

学号：0121011360424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自动化1004班姓名邓智斌指导教师陈静教授2013 年 6 月29 日课程设计任务书学生姓名：邓智斌专业班级：自动化1004班指导教师：陈静教授工作单位：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，对象的特性为二阶惯性系统，惯性时间常数为T1＝20秒。

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、T i、T d、T及β的值；3）通过数据分析β改变时对系统超调量的影响。

4）撰写设计说明书。

时间安排：6月26日查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计6月27日—6月28日完成硬件设计6月29日—6月30日编写调试程序7月1日—7月4日撰写课程设计说明书7月5日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要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，燃料，控制方案也有所不同。

随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。

本文主要介绍了利用8051为主控制电路实现的炉温调节控制系统，详细阐述了系统的功能，硬件组成以及软件设计，利用热电偶采集温度信号经A/D转换器转化后与给定信号送入微机系统，系统分析控制算法，信号再经D/A转换后控制调节可控硅控制器来改变炉内的温度。

另外，还需要用到MATLAB这一个功能强大的软件，而且需要编写一定的程序语句，可以通过程序的运行，将被控系统离散化。

再通过PID算法计算出使系统达到稳定所用时间最短，超调最小的Ki ，Kp ，Kd，β的值。

然后通过β的变化观察系统的动态性能。

关键字：8051； PID；二阶系统；积分分离；仿真目录1 设计任务及要求 (5)2 方案比较论证 (6)3 系统硬件设计 (3)3.1 系统硬件结构 (3)3.2系统硬件的选择 (3)3.3 系统硬件连接图 (4)4 系统软件设计 (5)4.1 确定程序流程 (5)4.2 程序控制算法介绍 (6)5 系统仿真 (9)6 心得与体会 (15)参考资料 (13)附录1芯片资料 (17)附录2 程序清单 (19)1 设计任务及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，对象的特性为二阶惯性系统，惯性时间常数为T1＝20秒。

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、T i、T d、T及β的值；3）通过数据分析β改变时对系统超调量的影响。

4）撰写设计说明书。

2 方案比较论证本次设计是对电炉的温度控制，而电炉的温度是通过放在其中的热阻丝来控制的，而热阻丝的电流由可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制。

对电炉温度的控制是个动态的过程，不可能一下子就达到我们想要的温度，需要用到一些仪器比如热电偶来测量电路的温度，通过传感器将炉温转换成电压信号，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计算机程序中作比较，得出给定值与实际值之间的偏差，单片机对偏差进行运算，将运算结果送给晶闸管调压器来调节热阻丝的电流，以此来调节电电炉的温度。

电炉的温度控制是个动态的控制过程，需要借助计算机，单片机等很多器件的硬件连接来实现。

而电炉温度的直接控制是通过热阻丝的加热来实现的，热阻丝的加热是由流经热阻丝的电流来控制的，而热阻丝的电流是通过可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制，电压的调节是通过可控制硅控制。

需要用到热电偶时刻监测电炉的温度，通过传感器将温度信号转化为电压信号，而电压信号通过模数转换送入到计算机进行控制，计算机将转换结果送到晶闸管来控制加到热阻丝两端的电压，这样达到调节电炉温度的目的。

电炉温度控制的硬件连接图如图1所示图1 系统结构框图3 系统硬件设计炉温信号T通过温度检测及变送，变成电信号，与温度设定值进行比较，计算温度偏差e和温度的变化率de/dt，再由智能控制算法进行推理，并得控制量u，可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率，即改变可控硅管的接通时间，使电加热炉输出温度达到理想的设定值。

3.1 系统硬件结构ADC0809的INT0端口所连接的电阻起到给定预定值的作用，通过调节滑动变阻器划片的位置，改变INT0端口的电压，该电压通过0809转换为数字量被计算机读取。

将一个0-5V 的电压表连接到可变电阻上，测量其电压，再将其表盘改装为温度表盘，即将原来的0-5V 的刻度均匀分为300份，每一份代表1℃，则可以读取预定的温度值。

ADC0809的INT1端口与热电偶相连。

由8051构成的核心控制器按智能控制算法进行推算，得出所需要的控制量。

由单片机的输出通过调节可控硅管的接通时间，改变电炉的输出功率，起到调温的作用。

3.2系统硬件的选择微型计算机的选择：选择8051单片机构成炉温控制系统。

它具有8位CPU，3 2根I/O 线，4 kB片内ROM存储器，128 kB的RAM存储器。

8051对温度是通过可控硅调节器实现的。

在系统开发过程中修改程序容易，可以大大缩短开发周期。

同时，系统工作过程中能有效地保存一些数据信息，不受系统掉电或断电等突发情况的影响。

8051单片机内部有128 B的RAM存储器，不够本系统使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作为外部数据存储器。

热电偶的选择：本设计采用热电偶--镍络-铜硅热电偶(线性度较好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性较好，抗氧化性强，价格便宜)对温度进行检测。

镍铬-铜镍热电偶在300℃时的热点势21.033mV，为满足0-5V的要求，需将其放大238倍，再通过0809将其转换为数字量被计算机读取，通过软件程序对数据进行处理，将处理的结果经0832输出，输出量控制可控硅控制器，从而改变电阻丝两端的电压，使炉温得到控制。

3.3 系统硬件连接图综合以上分析，可以得出系统的硬件连接图如图2所示：4 系统软件设计4.1 确定程序流程在微分控制中，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。

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失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“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，在控制器中仅引入“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滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

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。

特别对于温度等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，为此，可采用积分分离措施，即偏差)(k e 较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。

亦即当β )(k e 时，采用PD 控制；当β≤)(k e 时，采用PID 控制。

积分分离阈值β应根据具体对象及控制要求。

若β值过大时，则达不到积分分离的目的；若β值过小，则一旦被控量)(t y 无法跳出个积分分离区，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。

根据设计要求及所选硬件，程序流程如图3所示：图3 程序的主流程图4.2 程序控制算法介绍由以上分析，本次设计采用的是积分分离PID 控制算法，P ID 调节时连续系统中技术中最成熟的，应用广泛的一种调节控制方式。

在模拟控制系统中，PID 算法的表达为：])()(1)([)(0⎰++=t D I p dtt de T dt t e T t e K t uu ：调节器的输出信号；e ：偏差信号；K ：调节器的比例系数；TI ：调节器的积分时间；TD ：调节器的微分时间。

在计算机控制中，为实现数字控制，必须对式上式进行离散化处理。

用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。

设系统的采样周期为T ，在t=kT 时刻进行采样，∑⎰=≈k i t i Te dt t e 00)()(Tk e k e dt de )1)()t (--≈（ 式中e(k)：根据本次采样值所得到的偏差； e (k-1)：由上次采样所得到的偏差。

由以上可得：T 1k e k e k i e k e K ]T1k e k e T i e T Tk e [K k u dk 0i p k0i Ip ）（）（）（）（）（）（）（）（）（--++=--++=∑∑==i D k ε式中，T 为采样时间，β项为积分项的开关系数ββε>≤ ⎝⎛=)()(01k e k e积分积分分离PID 控制算法程序框图如图4所示：图4 积分分离PID 控制算法程序框图5 系统仿真被控对象为：224004011)201(1)(s s s s G ++=+=采用simulink 仿真，通过simulink 模块实现积分分离PID 控制算法。

选择合适的Kp ，Ki ，Kd 是系统的仿真效果趋于理想状态。

MATLAB 编写程序如下： clear all; close all;ts=2; %采样时间2s sys=tf([1],[400,40,1]);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=10; ki=0.25;kd=5;Simulink 仿真图如下：图6 Simulink 仿真图经仿真后，当β=0.02时的仿真图如下所示：图7 β=0.02时的仿真图当β=0.05时的仿真图如下所示：图8 β=0.05时的仿真图当β=1.0时的仿真图如下所示：图9 β=1.0时的仿真图综上可得，当β值过大时，达不到积分分离的目的，若β值过小，则一旦被控量无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。