1、學 號： 課 程 設 計題 目溫度控制系統設計學 院自動化學院專 業自動化專業班 級自動化1004班姓 名鄧智斌指導教師陳靜 教授2013年6月29日課程設計任務書學生姓名： 鄧智斌 專業班級： 自動化1004班 指導教師： 陳靜 教授 工作單位： 自動化學院 題 目: 溫度控制系統設計 要求完成的主要任務: 被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。可控硅控制器輸入為05伏時對應電爐溫度0300，溫度傳感器測量值對應也為05伏，對象的特性為二階慣性系統，慣性時間常數為T120秒。 1）設計溫度控制系統的

2、計算機硬件系統，畫出框圖； 2）編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及的值； 3）通過數據分析改變時對系統超調量的影響。4）撰寫設計說明書。時間安排：6月26日 查閱和準備相關技術資料，完成整體方案設計6月27日6月28日完成硬件設計6月29日6月30日編寫調試程序7月1日7月4日 撰寫課程設計說明書 7月5日 提交課程設計說明書、圖紙、電子文檔 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所

3、采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。隨著集成電路技術的發展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現出來。本文主要介紹了利用8051為主控制電路實現的爐溫調節控制系統，詳細闡述了系統的功能，硬件組成以及軟件設計，利用熱電偶采集溫度信號經A/D轉換器轉化后與給定信號送入微機系統，系統分析控制算法，信號再經D/A轉換后控制調節可控硅控制器來改變爐內的溫度。另外，還需要用到MATLAB這一個功能強大的軟件，而且需要編寫一定的程序語句，可以通過程序的運行，將被控系統離散化。再通過PID算法計算出使系統達到穩定所用時間最短，超調最小的Ki ，Kp ，Kd，的值。然后通過的變化觀

4、察系統的動態性能。關鍵字：8051； PID；二階系統；積分分離；仿真目錄1 設計任務及要求12 方案比較論證23 系統硬件設計33.1 系統硬件結構33.2系統硬件的選擇33.3 系統硬件連接圖44 系統軟件設計54.1 確定程序流程54.2 程序控制算法介紹65 系統仿真96 心得與體會12參考資料13附錄1芯片資料14附錄2 程序清單161 設計任務及要求被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。可控硅控制器輸入為05伏時對應電爐溫度0300，溫度傳感器測量值對應也為05伏，對象的特性為二階慣性系統

5、，慣性時間常數為T120秒。 1）設計溫度控制系統的計算機硬件系統，畫出框圖； 2）編寫積分分離PID算法程序，從鍵盤接受Kp、Ti、Td、T及的值； 3）通過數據分析改變時對系統超調量的影響。4）撰寫設計說明書。2 方案比較論證本次設計是對電爐的溫度控制，而電爐的溫度是通過放在其中的熱阻絲來控制的，而熱阻絲的電流由可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加電壓來控制。對電爐溫度的控制是個動態的過程，不可能一下子就達到我們想要的溫度，需要用到一些儀器比如熱電偶來測量電路的溫度，通過傳感器將爐溫轉換成電壓信號，送入A/D轉換器，通過采樣和模數轉換，所檢測到的電壓信號和爐溫給定值的電壓信號送入計算機程序中作比

6、較，得出給定值與實際值之間的偏差，單片機對偏差進行運算，將運算結果送給晶閘管調壓器來調節熱阻絲的電流，以此來調節電電爐的溫度。 電爐的溫度控制是個動態的控制過程，需要借助計算機，單片機等很多器件的硬件連接來實現。而電爐溫度的直接控制是通過熱阻絲的加熱來實現的，熱阻絲的加熱是由流經熱阻絲的電流來控制的，而熱阻絲的電流是通過可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加電壓來控制，電壓的調節是通過可控制硅控制。需要用到熱電偶時刻監測電爐的溫度，通過傳感器將溫度信號轉化為電壓信號，而電壓信號通過模數轉換送入到計算機進行控制，計算機將轉換結果送到晶閘管來控制加到熱阻絲兩端的電壓，這樣達到調節電爐溫度的目的。電爐溫度控

7、制的硬件連接圖如圖1所示傳感器顯示電路計算機數據采集控制電路電爐鍵盤控制圖1 系統結構框圖3 系統硬件設計爐溫信號T通過溫度檢測及變送，變成電信號，與溫度設定值進行比較，計算溫度偏差e和溫度的變化率de/dt，再由智能控制算法進行推理，并得控制量u，可控硅輸出部分根據調節電加熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時間，使電加熱爐輸出溫度達到理想的設定值。3.1 系統硬件結構ADC0809的INT0端口所連接的電阻起到給定預定值的作用，通過調節滑動變阻器劃片的位置，改變INT0端口的電壓，該電壓通過0809轉換為數字量被計算機讀取。將一個0-5V的電壓表連接到可變電阻上，測量其電壓，再將其表盤改裝

8、為溫度表盤，即將原來的0-5V的刻度均勻分為300份，每一份代表1，則可以讀取預定的溫度值。ADC0809的INT1端口與熱電偶相連。由8051構成的核心控制器按智能控制算法進行推算，得出所需要的控制量。由單片機的輸出通過調節可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率，起到調溫的作用 。 3.2系統硬件的選擇微型計算機的選擇：選擇8051單片機構成爐溫控制系統。它具有8位CPU，3 2根I/O線，4 kB片內ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器。8051對溫度是通過可控硅調節器實現的。在系統開發過程中修改程序容易，可以大大縮短開發周期。同時，系統工作過程中能有效地保存一些數據信息，不受系統掉電

9、或斷電等突發情況的影響。8051單片機內部有128 B的RAM存儲器，不夠本系統使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作為外部數據存儲器。 熱電偶的選擇：本設計采用熱電偶-鎳絡-銅硅熱電偶(線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩定性和復現性較好，抗氧化性強，價格便宜)對溫度進行檢測。鎳鉻-銅鎳熱電偶在300時的熱點勢21.033mV，為滿足0-5V的要求，需將其放大238倍，再通過0809將其轉換為數字量被計算機讀取，通過軟件程序對數據進行處理，將處理的結果經0832輸出，輸出量控制可控硅控制器，從而改變電阻絲兩端的電壓，使爐溫得到控制。3.3 系統硬件連接圖 綜合以上分析，可以得出系統

10、的硬件連接圖如圖2所示：4 系統軟件設計 4.1 確定程序流程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值

11、，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產生較大的超調和長時間的波動。特別對于溫度等變化緩慢的過程，這一現象更為嚴重，為此，可采用積分分離措施，即偏差較大時，取消積分作用；當偏差較小時才將積分作用投入。亦即 當時，采用PD控制； 當時，采用PID控制。積分分離閾值應根據具體對象及控制要求。若值過大時，則達不到積分分離的目的；若值過小，則一旦被控量無法跳出個積分分離區，只進行PD控制，將會

12、出現殘差，為了實現積分分離，編寫程序時必須從數字PID差分方程式中分離出積分項，進行特殊處理。根據設計要求及所選硬件，程序流程如圖3所示：開始系統初始化設置數據采集A/D轉換求出溫度值信號比較PID調節可控硅調節加熱爐圖3 程序的主流程圖4.2 程序控制算法介紹 由以上分析，本次設計采用的是積分分離PID控制算法，PID調節時連續系統中技術中最成熟的，應用廣泛的一種調節控制方式。在模擬控制系統中，PID算法的表達為： u：調節器的輸出信號；e：偏差信號；K：調節器的比例系數；TI：調節器的積分時間；TD：調節器的微分時間。 在計算機控制中，為實現數字控制，必須對式上式進行離散化處理。用數字形式

13、的差分方程代替連續系統的微分方程。設系統的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，式中e(k)：根據本次采樣值所得到的偏差； e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。由以上可得： 式中，T為采樣時間，項為積分項的開關系數積分積分分離PID控制算法程序框圖如圖4所示：圖4 積分分離PID控制算法程序框圖5 系統仿真被控對象為：采用simulink仿真，通過simulink模塊實現積分分離PID控制算法。選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統的仿真效果趨于理想狀態。MATLAB編寫程序如下：clear all;close all;ts=2; %采樣時間2ssys=tf(1,400,40,1);dsys=c2

14、d(sys,ts,'zoh'); %將sys離散化num,den=tfdata(dsys,'v'); %求sys多項式模型參數kp=10;ki=0.25;kd=5;Simulink仿真圖如下： 圖6 Simulink仿真圖經仿真后，當=0.02時的仿真圖如下所示：圖7 =0.02時的仿真圖當=0.05時的仿真圖如下所示：圖8 =0.05時的仿真圖當=1.0時的仿真圖如下所示：圖9 =1.0時的仿真圖 綜上可得，當值過大時，達不到積分分離的目的，若值過小，則一旦被控量無法跳出各積分分離區，只進行PD控制，將會出現殘差。6 心得與體會本次計算機課程設計我做的是溫度控

15、制系統，是通過計算機，單片機，一些控制算法，等等的對電爐的溫度進行控制，使得電爐的溫度達到任何我們想要達到的溫度。剛拿到題目的時候，感覺這個題目涉及到了很多東西，包括自動控制原理、計算機控制技術和微機原理。首先得從題目所給的條件中分析得到系統的傳遞函數，然后進行PID算法的控制技術，最后撰寫匯編語言的控制程序。在做第二個步驟的時候，由于計控書上對PID積分分離算法只做了一個籠統的介紹，并沒有相關的舉例，所以我很難在只有書本知識的情況下輕松的把PID控制部分分析出來。在參閱了大量的資料后，我才對積分分離算法有了一個較清晰的概念，并完成了算法的控制部分。在本次設計中還涉及到了Matlab仿真部分，

16、對我們是否熟練掌握了這個強大的仿真軟件進行了考驗。同時也讓我們對Matlab軟件進行了復習，也為我們再次熟練運用Matlab打下了基礎。參考文獻1李建忠.單片機原理及應用.西安:西安電子科技大學出版社,2001.2潘新民.王燕芳.微型計算機控制技術.北京:高等教育出版社,2001. 3何立民.單片機應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社,2000.4韓志軍,沈晉源,王振波.單片機應用系統設計.北京:機械工業出版社,2005.5周航慈.單片機程序設計基礎.北京:北京航空航天大學出版社,2000.附錄1芯片資料ADC0809芯片圖 ADC0809芯片ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位

17、數字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負端。START：A/D轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉換）.EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態數據輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。DAC0832芯片：圖 DAC0832芯片DAC0832芯片為20引腳，雙列直插式封裝。其引腳排列如圖6所示。（1）數字量輸入線D7D0（8條） （2）控制線

18、（5條） （3）輸出線（3條） （4）電源線（4條）DAC0832的技術指標（1）分辨率:8位（2）電流建立時間:1µS（3）線性度（在整個溫度范圍內）8、9或10位（4）增益溫度系數:00002 FS/（5）低功耗:20mW（6）單一電源：+5 +15V 附錄2 程序清單積分分離PID控制算法子程序：START：MOV 68H,KP ；分別將KP ，TI ，TD， T，送入指定的存儲單元MOV 54H,TIMOV 55H,TDMOV 56H,TMOV 57H,MOV A,68H ；計算KI=KP*T/TIMOV B,56HMUL ABMOV B,54HDIV ABMOV 69H,A

19、MOV A,68H ；計算KD=KP*TD/TMOV B,55HMUL ABMOV B,56HDIV ABMOV 6AH,ALOOP0: MOV DPTR #7FF0H ；讀取預定溫度值，送ADC0809的IN0口地址 MOV DPTR,A ；啟動A/D轉換LOOP1 JB P3.3,LOOP1 ；等待轉換數據 MOVX A,DPTR ；讀取ADC0809的IN0口轉換后的數據 MOV 5CH,A ；將預定值數據放入指定的存儲單元MOV DPTR,#7FF1H ；讀取采樣溫度值，送ADC0809的IN1口地址 MOVX DPTR,A ；啟動A/D轉換LOOP2: JB P3.3,LOOP2 ；

20、等待轉換數據 MOVX A,DPTR ；讀取ADC0809的IN1口轉換后的數據 MOV 49H,A ；將采樣值數據放入指定的存儲單元 MOV A,5CH ；計算e(i)，先取溫度給定值 CLR C SUBB A,50H ；溫度給定值-采樣值 JNC AA0 ；判斷e(i)的正負，如果為正，跳至AA0 CPL A ；e(i)為負，下兩條指令求補 ADD A,#01HAA0: MOV R0,57H SUBB A,57H ；|e(i)|- JNC AA1 ；|e(i)|>跳至AA1 SJMP AA2 ；|e(i)|<跳至AA2AA1: LCALL PD ；調用PD算法AA2: LCAL

21、L PID ；調用PID算法 MOV A,7CH ；將Ui通過DAC0832輸出 MOV DPTR,#7FF2H MOVX DPTR,A INC DPTR MOVX DPTR,A LCALL DELAY ；調用延時子程序，等待下一次采樣計算 SJMP LOOP0 ；進入下一次控制計算DELAY PROC NEARDL0: MOV R6,#FFHDL1: MOV R7,#FFHDL2: MOV R5,#FFHDLS: DJNZ R5,DLSDJNZ R7,DL2DJNZ R6 DL1RETDELAY ENDPPID PROC NEARPID:MOV A,5CH ；計算e(i)，先取溫度給定值CL

22、R CSUBB A,50H ；溫度給定值-溫度檢測值JNC PID1 ；判斷e（i）正負，如果為正，跳至PID1CPL A ；e（i）為負，下兩條指令求補ADD A,#01HSETB 30H ；e（i）為負，符號位置1SJMP PID2PID1:CLR 30H ；e（i）為正，符號位置0PID2:MOV 6BH,A ；e（i）值存放在6BH單位元中MOV R1,6BH ；計算ei-ei-1，先將ei值，送R1MOV C,30H ；將ei的符號位值送20H位MOV 20H,CMOV R2,6CH ；將ei-1值送R2MOV C,31H ；將 ei-1的符號位值送21H位MOV 21H,CLCAL

23、L DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 6EH,R3 ；將差值ei-ei-1送6EH單元MOV C,22H ；將差值ei-ei-1的符號位送33H位MOV 33H,CMOV R1,6CH ；計算ei-1-ei-2，先將ei-1值送R1MOV C,31H ；將ei-1符號位送20H位MOV 20H,CMOV R2,6DH ；將ei-2的值送R2MOV C,32H ；將 ei-2的符號位值送21H位MOV 21H,CLCALL DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 6FH,R3 ；將差值ei-1-ei-2送6FH單元MOV C,22H ；將差值ei-1-ei-2的符號位送34H位

24、MOV 34H,CMOV R1,6EH ；計算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），將ei-ei-1值送R1MOV C,33H ；將ei-ei-1符號位送20H位MOV 20H,CMOV R2,6FH ；將ei-1-ei-2值送R2MOV C,34H ；將ei-1-ei-2符號位送21H位MOV 21H,CLCALL DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 70H,R3 ；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）送70H單元MOV C,22H ；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符號位值送35H位MOV 35H,CMOV A,68H ；計算Kp*（ei-ei

25、-1），將Kp值送AMOV B,6EH ；將ei-ei-1值送BMUL AB ；兩數相乘MOV 71H,B ；Kp*（ei-ei-1）值存71H，72H單元MOV 72H.AMOV A,69H ；計算KI*ei，將KI值送AMOV B,6BH ；將ei值送BMUL AB ；兩數相乘MOV 73H,B ；KI*ei值存73H，74H單元MOV 74H,AMOV A,6AH ；計算KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），將KD送AMOV B,70H ；將（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）值送BMUL AB ；兩數相乘MOV 75H,B ；KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei

26、-2）值存75H，76H單元MOV 76H,AMOV R1,71H ；計算Kp*（ei-ei-1）+KI*ei，將Kp*（ei-ei-1）值送R1，R2MOV R2,72HMOV C,33H ；將Kp*（ei-ei-1）的符號位值送23H位MOV 23H,CMOV R3,73H ；將KI*ei值送R3，R4MOV R4,74H MOV C,30H ；將KI*ei值的符號位懂24H位MOV 24H,CLCALL SJF ；調用雙字節帶符號加法子程序MOV 77H,R5 ；將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送77H，78HMOV 78H,R6MOV C,25H ；將Kp*（ei-ei-1）+

27、KI*ei值的符號位送36H位MOV 36H,CMOV R1,77H ；計算Ui，將將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值送R1，R2MOV R2,78H MOV C,36H ；將Kp*（ei-ei-1）+KI*ei值的符號位送23H位MOV 23H,CMOV R3,75H ；將KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的值送R3，R4MOV R4,76HMOV C,35H ；將KD*（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符號位送23H位MOV 24H,CLCALL SJF ；調用雙字節帶符號加法子程序MOV 79H,R5 ；將Ui值送79H，7AHMOV 7AH,R6MOV C

28、,25H ；將Ui值的符號位送37HMOV 37H,CMOV R1,7DH ；計算Ui，將Ui-1值送R1，R2MOV R2,7EHCLR 23H ；Ui-1值的符號位值恒為0MOV R3,79H ；將Ui值送R3，R4MOV R4,7AHMOV C,37H ；將Ui值的符號位送24HMOV 24H,CLCALL SJF ；調用雙字節帶符號加法子程序JNB 25H,PID3 ；判斷計算結果是否為負MOV 7BH,#00H ；如果是負數，則輸出電壓為0MOV 7CH,#00HSJMP PID4PID3:MOV 7BH,R5 ；否則，將計算得到的Ui值置7BH，7CHMOV 7CH,R6PID4:

29、MOV 6DH,6CH ；數據迭代，ei-1值送ei-2存儲單元MOV 6CH,6BH ；ei值送ei-1存儲單元MOV 7DH,7BH ；Ui值送Ui-1存儲單元MOV 7EH,7CHRETPID ENDPPD PROC NEARPD:MOV A,5CH ；計算ei，先取溫度給定值CLR CSUBB A,50H ；溫度給定值-溫度檢測值JNC PD1 ；判斷ei正負，如果為正，跳至PID1CPL A ；ei為負，下兩條指令求補ADD A,#01HSETB 30H ；ei為負，符號位置1SJMP PD2PD1:CLR 30H ；ei為正，符號位置0PD2:MOV 6BH,A ；ei值存放在6B

30、H單位元中MOV R1,6BH ；計算ei-ei-1，先將ei值，送R1MOV C,30H ；將ei的符號位值送20H位MOV 20H,C；MOV R2,6CH ；將ei-1值送R2MOV C,31H ；將 ei-1的符號位值送21H位MOV 21H,CLCALL DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 6EH,R3 ；將差值ei-ei-1送6EH單元MOV C,22H ；將差值ei-ei-1的符號位送33H位MOV 33H,CMOV R1,6CH ；計算ei-1-ei-2，先將ei-1值送R1MOV C,31H ；將ei-1符號位送20H位MOV 20H,CMOV R2,6DH ；將e

31、i-2的值送R2MOV C,32H ；將 ei-2的符號位值送21H位MOV 21H,CLCALL DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 6FH,R3 ；將差值ei-1-ei-2送6FH單元MOV C,22H ；將差值ei-1-ei-2的符號位送34H位MOV 34H,CMOV R1,6EH ；計算（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2），將ei-ei-1值送R1MOV C,33H ；將ei-ei-1符號位送20H位MOV 20H,CMOV R2,6FH ；將ei-1-ei-2值送R2MOV C,34H ；將ei-1-ei-2符號位送21H位MOV 21H,CLCALL DJF ；調用單字節帶符號的減法子程序MOV 70H,R3 ；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）送70H單元MOV C,22H ；將差值（ei-ei-1）-（ei-1-ei-2）的符號位值送35H位MOV 35H,CMOV A,68H ；計算Kp*（ei-ei-1），將Kp值送AMOV B,6EH ；將ei-ei-1值送BMUL AB ；兩數相乘MOV 71H,B ；Kp*（ei-ei-1）值存71H，72