1、課程論文 題 目 電爐溫度自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 專 業(yè) 信息工程 學(xué)生姓名 陳進 學(xué) 號 20082309016得 分提交時間：2011年6月13日電爐溫度自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計【摘要】以單片機8051為控制核心，采用開關(guān)控制與PID控制相結(jié)合的控制算法，實現(xiàn)較高精度的電爐溫度自動控制的系統(tǒng)軟件設(shè)計?！娟P(guān)鍵詞】 電爐 溫度控制 開關(guān)控制 PID算法 單片機一 引言在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、食品加工等許多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。以往對這些用電加熱設(shè)備多采用常規(guī)化儀表加接觸器的斷續(xù)控制方法，不能很好地實現(xiàn)實時控制，難以達到高精度的溫控要求。本文根據(jù)電爐溫度控

2、制的特點，主要從控制策略及軟件設(shè)計方面討論電爐溫度自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。二 系統(tǒng)論證對電爐溫度的控制可根據(jù)電爐的實際溫度實時調(diào)整電爐的平均電功率來達到目的。因此，實現(xiàn)較高精度的溫度自動控制系統(tǒng)需要解決兩方面問題，一是較高精度的溫度測量電路及其數(shù)據(jù)處理，二是控制策略及其控制電路的研究。下面從這兩方面闡述系統(tǒng)的設(shè)計思想。1 溫度測量及數(shù)據(jù)處理溫度測量部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。溫度檢測元件的選擇與被控溫度及精度有關(guān)。本系統(tǒng)設(shè)計成控溫范圍 01024，分辨率1。這樣，整個系統(tǒng)的溫度采用點數(shù)為1024點?？紤]到A/D轉(zhuǎn)換的1LSB 誤差及各種干擾因素，10位A/D轉(zhuǎn)換器為臨界應(yīng)用，系統(tǒng)的線性度，準確度難以保證

3、。故采用12位A/D轉(zhuǎn)換器。溫度測量分辨力為0.25。對電爐溫度的控制實質(zhì)是對強電(AC220V)功率的控制，存在各種干擾。實際溫度信號被認為是變化緩慢的。為提高溫度測量的抗干擾能力，達到所需的測控精度，必須進行濾波處理。本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波技術(shù)，與模擬濾波相比，具有經(jīng)濟，可靠，靈活，穩(wěn)定性好的優(yōu)點。2 控制策略及控制電路實際溫度控制系統(tǒng)中，常采用開關(guān)控制或PID控制方式。開關(guān)控制的特點是可以使系統(tǒng)以最快的速度向平衡點靠近。但在實際應(yīng)用中很容易造成系統(tǒng)在平衡點附近振蕩，使得精度不高。而PID控制具有廣泛的實用性，穩(wěn)態(tài)誤差小。但誤差較大時系統(tǒng)容易出現(xiàn)積分飽和，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)很大超調(diào)量，甚至失控。

4、針對以上問題，人們不斷在研究各種控制策略的應(yīng)用。其中具有智能特點的模糊控制倍受青睞。但模糊控制含有大量專家經(jīng)驗，實際實現(xiàn)比較困難。因此，本系統(tǒng)采用開關(guān)控制與PID控制相結(jié)合的方法。具體控制過程為：當(dāng)溫差大時，利用開關(guān)控制迅速減小偏差，以縮小調(diào)節(jié)時間；當(dāng)溫差小于某一值時采用PID控制以使系統(tǒng)快速穩(wěn)定，并保持系統(tǒng)無靜差。在這種控制方法中，由于PID控制在較小溫差時才開始進入，這樣可有效避免數(shù)字積分器的飽和。本系統(tǒng)采用在給定控制周期內(nèi)選通交流電半周期數(shù)來控制電爐的平均電功率，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。對于工頻交流電(f=50HZ)設(shè)控制周期為2.5S，則在一個控制周期內(nèi)有250個交流電半周期。假設(shè)電爐在2

5、.5S內(nèi)全導(dǎo)通時的功率為PH，而實際輸出功率將和每個控制周期內(nèi)導(dǎo)通的交流電半周期數(shù)成正比。公式表示為：。電路構(gòu)成如圖(1)中功率控制執(zhí)行電路。P1.4控制繼電器的通斷。如果由程序控制P1.4在每個2.5S內(nèi)輸出低電平時間的長短，則通過繼電器的交流電半周期數(shù)目可控。三 系統(tǒng)硬件框圖本系統(tǒng)采用8051單片機為控制核心。溫度傳感器輸出的溫度電壓信號經(jīng)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到溫度數(shù)字信號，再進入單片機進行處理和控制運算，并將運算得到的控制量輸出到功率控制執(zhí)行電路。過零脈沖提取電路用于獲取交流電半周期數(shù)信息。鍵盤和數(shù)碼顯示實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間對話。8051單片機本身含有4KB 的程序存儲器，簡化了電路設(shè)計。在

6、過零脈沖提取電路中，一般情況下，D1、D2中總有一個是正向?qū)ǖ?，則T1、T2總有一個處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓V0為高電平。在市電過零點附近，交流電壓小于Vd(Vd 為二極管的正向?qū)▔航担４藭r，兩個二極管均截止，V0 輸出低電平脈沖。用這種方法可以精確的提取過零脈沖。對此脈沖計數(shù)即可知道經(jīng)過的交流電半周期數(shù)目。四系統(tǒng)軟件設(shè)計1 溫度控制算法PID(比例積分微分)控制實質(zhì)是偏差控制，是根據(jù)實際測量值與設(shè)定值的偏差e(t)，按比例積分微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，其結(jié)果(為一個數(shù)字量)用以輸出控制。根據(jù)控制理論1，對連續(xù)PID 控制的理想微分方程為式中e(t)=UR(t)-Uy(t)稱為偏差值，是

7、調(diào)節(jié)器的輸入信號。UR(t) 為給定值，Uy(t)為被測變量值。KP為比例系數(shù)，TI 為積分系數(shù) ，TD為微分系數(shù)。U(t)為控制器的輸出控制信號。將上式離散化，變成適合于計算機計算的差分方程形式。通常微分用差分近似，積分用求和近似。若設(shè)溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸入偏差為en，調(diào)節(jié)器輸出為Un ，則差分方程形式為：這是數(shù)字PID位置式算法。由此可得數(shù)字PID增量式算法該算法的計算量和存儲量都比較小。本系統(tǒng)的PID 控制采用增量式算法,并將其轉(zhuǎn)換為位置式輸出形式。即其中 KI=T/TI ， KD=TD/T ， en=en-en-1 , 2en=en-en-1 但是，典型的溫度控制系統(tǒng)

8、是一純滯后系統(tǒng)，由單純的PID 控制，在偏差較大時超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長。如前所述，開關(guān)控制卻能夠以最快的速度向平衡點靠近。所以，系統(tǒng)的控制采用開關(guān)控制與PID 控制相結(jié)合的方法，較好的解決了以上問題。該控制方法用公式表示為：當(dāng) | en | 時，Un=最大值或最小值(開關(guān)控制)當(dāng) | en | 時，Un=最大值或最小值 (開關(guān)控制) 當(dāng) | en | 時， ( PID控制)根據(jù)此算法即可編寫出程序。PID運算結(jié)果是浮點數(shù)格式，對其取整數(shù)存入20H單元作為控制輸出。程序流程圖如圖(8)。溫度標度轉(zhuǎn)換程序TRAST:目的是要把實際采樣的二進制值轉(zhuǎn)換成BCD碼形式的溫度值，再存到顯示緩沖區(qū)。對一般線

9、性儀表，標度轉(zhuǎn)換公式為：A0為一次測量儀表的下限；A m為一次測量儀表的上限；AX為實際測量值(工程量)；N0為儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量；Nm為儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量；Nx為測量所得數(shù)字量。本系統(tǒng)的參數(shù)為溫控范圍01024，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)12位。即 A0=0 Am=1024 N0=0 Nm=212 =4096 所以將測量值右移2位，再轉(zhuǎn)化為BCD碼，可得溫度值的十進制表示。應(yīng)對移出位作四舍五入。若移出的第二位為0，則舍去；為1則進位。 鍵盤輸入與數(shù)碼顯示本部分程序主要完成溫度設(shè)定值的輸入和溫度設(shè)定值、測量值的顯示。鍵盤輸入采用中斷方式。在編制程序時，應(yīng)注意溫度輸入值的分辨力為1，用二進制數(shù)表示是

10、10位數(shù)字。而測量值的分辨力為0.25，用二進制數(shù)表示是12位數(shù)字。為使輸入值與測量值運算精度相同，應(yīng)將輸入值左移2位。在控制運算中，使用的是浮點數(shù)格式。必須將設(shè)定值化為浮點數(shù)格式，并存入以34H單元開始的連續(xù)4字節(jié)中。轉(zhuǎn)化方法是先賦給設(shè)定值正確的階數(shù)，再調(diào)用規(guī)格化子程序?qū)ζ湟?guī)格化。本系統(tǒng)軟件在TCS-51仿真系統(tǒng)上調(diào)試通過。由于實驗條件限制，調(diào)試時溫度測量部分使用8位A/D，高位字節(jié)由賦值方式完成。但這并不影響系統(tǒng)軟件的正確性。五 結(jié)束語整個系統(tǒng)的設(shè)計思想是提高靜態(tài)控溫精度，減少調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。由于采用12位A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波技術(shù)，以及在控制運算中使用4字節(jié)浮點數(shù)格式，使系統(tǒng)的測控精度大為提高；在控制策略上，采用開關(guān)控制PID控制相結(jié)合的控制方法，較好地解決了超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間的問題。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計是以溫度測量值已線性化為前提的，但實際系統(tǒng)中往往是非線性的，即實際溫度值與傳感器的輸出電壓不是線性關(guān)系。對此，可設(shè)立線性化表，通過查表方法線性化。參考文獻：1 何克忠 李偉 編著計算機控制系統(tǒng)M北京：