电加热器温度的数字pid控制_毕业论文(编辑修改稿)

电加热器温度的数字pid控制_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

(3)光电耦合器的回应速度极快，其 响 应延迟时间只有 10μS 左右，适于对 响 应速度要求很高的场合。 光电隔离技术的应用 （ 1）微机介面电路中的光电隔离 微机有 多个输入 端 ，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。 在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂王阿东：电加热器温度的数字 PID控制 8 讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。 因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。 （ 2）功率驱动电路中的光电隔离 在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的 I／O输出，而 I／ O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。 如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。 3）远距离的隔离传送 在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。 为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将 2 个电路的电气连接隔开，切断可能形成的 环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。 若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全 “浮置 ”起来。 光耦器件 MOC3040 由于单片机是弱点，而电加热器是强电，所以用光耦合很好的解决了强弱电隔离的问题， 在本设计中采用了一种比较常用的光耦器件 MOC3040，其在本设计中的连接电路如图 所示： 图 光耦合 连接电路 可控硅简介 西安外事学院本科毕业设计（论文） 9 可控硅分为单向的和双向的 两种 ,符号也不同 .单向可控硅有三个 PN结 ,由最外 层的P 极和 N极引出两个电极 ,分别称为阳极和阴极 ,由中间的 P 极引出一个控制极 . (1)单向可控硅 单向可控硅 的基本应用电路如图 所示。 当 Uak0 时，若 Ugk0，可控硅不导通； 当 Uak0 时，若 Ugk0，可控硅导通； 当 Uak0 时，不论 Ugk为何值，可控硅都处于关断状态， Iak=0。 图 单向可控硅应用电路 通过对单向可控硅的技术分析，可归纳出如下特点： 1）可控硅的导通条件是在阳极 A与阴极 K之间加有正向电压情况下，在门极 G与阴极 K之间加上一个正向脉冲信号，形成门极电流， 此电流将触发可控硅进入自锁的导通状态。 2）门极 G无法控制可控硅 (2)双向可控硅 双向可控硅 相当于两个单向 引脚多数是按 T T G的顺序从左至右排列 (电极引脚向下 ,面对有字符的一面时 ).加在控制极 G上的触发脉冲的大小或时间改变时 ,就能改变其导通电流的大小 . 与单向可控硅的区别是 ,双向可控硅 G极上触发脉冲的极性改变时 ,其导通方向就随着极性的变化而改变 ,从 而能够控制交流电负载 .而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通 ,所以可控硅有单双向之分 . 电子制作中常用可控硅 ,单向的有 MCR100 等 ,双向的有 TLC336 等 王阿东：电加热器温度的数字 PID控制 10 可控硅 的工作条件： 1. 可控硅 承受反向阳极电压时，不管门极承受 哪 种电压， 可控硅 都处于关 断 状态。 2. 可控硅 承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下 可控硅 才导通。 3. 可控硅 在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何， 可控硅 保持导通，即 可控硅 导通后，门极失去作用。 4. 可控硅 在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时， 可控硅 关断。 注意 可控硅 是半控件，关断不由门极控制，而只当主电流接近零时才能关断。 （ 3）双向可控硅在本设计中的电路连接图 如图 所示。 图 可控硅连接电路 2 PID 算法 PID 算法简介 在过程控制中，按偏差的比例 P(Proportional)、积分 I（ Integral） 和微分 D（ Differential） 进行控制的 PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。 它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。 数字 PID算法分为置位式和增量式两种。 当执行需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用 PID的“增量算法”。 如图 所示： 西安外事学院本科毕业设计（论文） 11 图 增量式 PID控制算法 增量式 PID 控制算法可以通过 21式推导出。 由 21 可以得到控制器的第 k1个采样时刻的输出值为式 22：     kj kkdkikpk T eeTeTTeKu 0 1 式 21      10 2111 kj kkdkikpk T eeTeTTeKu 式 22 将式 51 与式 52 相减并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式为： 212121112112  kkkkdpkdpkdipkkkdkikkpkkkCeBeAeeTTKeTTKeTTTTKTeeeTeTTeeKuuu 式 23 其中   TTTTKA dip 1   TTKB dP 21 TTKC dp 由式 53 可以看出，如果计算机控制系统采用恒定 的采样周期 T，一旦确定 A、B、 C， 只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由式 53 求出控制量。 增量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法 51 相比，计算量小得多，因此实际中得到广泛的应用。 位置式 PID 控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式： kkk uuu  1 式 24 式 24就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推 PID 控制算法。 PID 算法 可控硅 受控对象 r + e ∆u u y 王阿东：电加热器温度的数字 PID控制 12 P 对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小 ； P偏大，振荡次数加多，调节时间加长； P太大时，系统会趋于不稳定； P 太小，又会使系统的动作缓慢。 P 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性来决定的。 如果 P得符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况 P的符号就一定要取反。 I 对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降， I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 D 对系统性能的影响：微分作 用可以改善动态特性， D偏大时，超调量较大，调节时间较短； D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有 D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 PID 算法的程序设计 要编写一个已知算法的单片机程序，首先要考虑的就是数据的结构和存储方式了。 因为它直接影响到系统的控制精度，以及 PID 算法的实现质量。 本系统从一开始的设计思路就是尽可能高的提高系统的控制精度。 要提高系统的控制精度，在计算过程中仅取整数或定点小数是不够的，所以本设计采用三字节浮点数运算。 对于STC89C52 单片机而言，有足够的内存去存储 和处理这些数据。 另外，为了使程序的参数修改方便，更易于应用到其他 PID控制系统中去，在一开始的参数赋值程序中，参数是以十进制 BCD 码浮点数存储的，参数赋值完成后，紧接着就是对参数进行二进制浮点数的归一化处理。 这些工作在系统启动后迅速就完成了，之后 PID 控制器只进行PID 核心控制算法的计算。 PID 算法的程序框图如图 所示算法。 由于本设计中主要用到增量式 PID 控制算法，所以在此我们只对增量式 PID 算法的程序实现做介绍。 增量式 PID 算式为 :                2121  kEkEkEKkEKkEkEKkP DIP 式 25 设       1 kEkEKKP PP    kEKkP II          212  kEkEkEKP DkD 则有        kPkPkPkP DIP  西安外事学院本科毕业设计（论文） 13 开 开P I D 参 数 初 始 化取 设 定 值 r ( t ) 与 测量 值 e ( t )计 算 偏 差E ( k ) = r ( t ) e ( t )P p ( k ) = K p * [ E ( k ) E ( k 1 ) ]P i ( k ) = K i * E ( k )P d ( k ) = K d [ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]U ( k ) = P p ( k ) + P i ( k )+ P d ( k )E ( k 1 ) = E ( k 2 )E ( k ) = E ( k 1 )返 回 图 PID 增量式程序流程图 PID 算法参数整定方法 三个基本参数 Kp、 Ki、 Kd在实际控制中的作用： 比例调节作用：是按比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差，属于“即时”型调节控制。 比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：使系统消除静态误差，提高无误差度。 因为有误差，积分调节就进行，直至无误差，积分调节停止，积分调节输出一常值，属于“历史 积累”型调节控制。 积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti， Ti 越小，积分作用就越强。 反之 Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成 PI调节器或 PID 调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差的变化趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，以被微分调节作用消除，因此属于“超前或未来”型调节控制。 因此，可以改善系统的动态性能。 在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减。