温度控制系统设计——计算机控制技术课程设计-精品.pdf

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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05伏时对应电炉温度 0300，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T13

2、0秒，滞后时间常 数为10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Kp、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 . 1 1 设计任务及分析 . 2 1.1 设计任务要求 2 1.2 设计系统分析 2 2 方案设计 . 3 2.1 硬件系统设计 3 2.2 软

3、件流程图 4 3 控制算法 . 5 3.1 PID 控制算法 . 5 3.2 积分分离的 PID 控制控制算法 . 6 4 系统仿真 . 7 4.1 仿真程序及图形 7 4.2 仿真结果 8 4.3 结果分析 10 5 心得体会 . 11 参考文献 . 12 本科生课程设计成绩评定表 1 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

4、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：

5、PID 控制Matlab 系统超调量 2 1 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 0300，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Kp、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

6、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，

7、 但也不能太大，否则会使误差不能及时消除。 3 2 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、 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。 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

8、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。

9、 单片机采用 AT89S52，具有 8K 片内 ROM 和 256B 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。 温度传感器 信号调理及 I/V 变换 A/D 转换 单 片 机 电炉 可控硅 控制电路 D/A 转换 键盘 输入 控制 图 2-1 温度控制系统硬件框图 4 2.2 软件流程图 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

10、定的采样周期进行采样，直至温度稳定为给定值。 开始 系统初始化并输入给定温 度值 炉温测量 炉温下限温度 炉温下限温度 PID 算法控制炉温 炉温等于目标温 度且稳定 结束 N Y 停止加热全速加热 N Y Y N 图 2-2 温度控制系统软件流程图 5 3 控制算法 3.1 PID 控制算法 模拟 PID 控制器的控制规律为 )( )( 1 )()( 0 t D I dt tde Tdtte T teKptu（2-1） 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，KP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

11、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，必须将式（ 2-1）变换成差分方程，以得到数字 PID 位置型控制算式 )1()( )()()( 0 k i D I T keke Tie T T keKpku（2-2） 根据式（ 2-2）可写出 u(k-1)的表达式 )2()1( )() 1()1( 1 0 k i D I T keke Tie T

12、 T keKpku（2-3） 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 )2() 1(2)()()1()()(kekekeKkeKkekeKpku DI （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。 6 3.2 积分分离的PID 控制控制算法 在一般的 P

13、ID 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(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

14、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 e(k) PD 控制PID 控制 控制器输出 结束 Y N 图 3-1 积分分离PID 控制算法流程图 7 4 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 s sG 301 e )( -10s 通过 Matlab 仿真，取 Kp=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; t

15、s=5; %采样时间 5s sys=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/ti kd=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，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

16、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。 8 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。 图 4-2 Ti=50时的系统仿真图 图 4-1 仿真模型 9 (2)Ti=100 时，仿真图如图 4-3 所示，可以计算出系统的超调量为 %30%100 1 13.1 % (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 %20%100 1 12.1 % 图 4-3 Ti=10

17、0时的系统仿真图 图 4-4 Ti=200 时的系统仿真图 10 （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 %15%100 1 115.1 % 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；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

18、太弱，消除静差的速度太慢， 会使系统长时间的振荡。 图 4-5 Ti=500 时的系统仿真图 11 5 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

19、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

20、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！ 12 参考文献 1. 于海生 . 计算机控制技术 . 机械工业出版社， 2010 2. 彭虎，周佩玲 . 微型计算机原理与应用 . 电子工业出版社， 2008 3. 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， 2011 5. 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. 沙占友等 . 新编实用数字化测量技术 . 国防工业出版社 7. 宋春荣等 . 通用集成电路手册 . 山东科技出版社 13 本科生课程设计成绩评定表 姓名李杰性别男 专业、班级自动化 1303班 课程设计题目：温度控制系统设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 评定项目评分成绩 1选题合理、目的明确（10分） 2设计方案正确、具有可行性、创新性（20分） 3设计结果（例如：系统设计程序、 仿真程序）（20 分） 4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15 分） 5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5 篇） （10分） 6答辩（ 25 分） 总分 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年月日