计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统

计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统内容摘要：

析 抗干扰能力 1 为了保护电路的性能电阻全部选用精密电阻电容选用高阻抗优质电容并且进行筛选配套要求印制电 路板的绝缘质量要好布线安排要合理实践证明布线的安排对电路的性能影响是明显的 2 采用屏蔽技术隔离技术和接地技术以金属材料例如铁制的封闭金属盒具有电磁屏蔽功能可使屏蔽盒内的电路免受外界干扰电场磁场的影响在控制电路中设置了光电隔离电路可以防止强电和弱电共地对单片机的干扰将数字地模拟地分开最后在电源板一点共地可有效的防止 AD 输入对单片机产生的共摸干扰 3 电桥电源采用专用桥头电源变压器整流后用大电容滤波使桥路有一个很稳定的电流 4 微机系统应用中供电系统抗干扰是很重要的我们要在交流电源进入处采用了隔离变压器并采用电源滤 波技术 5 采用软件滤波法提高软件的可靠性①程序高速循环法②输出反馈表决和周期刷新③存储器使用技巧④实时诊断技术⑤数字滤波技术 3 控制系统的仿真实验图及分析 对于电阻炉温度控制采用了适用于工业控制的 8051 单片机组成的控制系统该系统的被测参数是电阻炉的温度由单片机 PID 运算得出的控制量去控制晶闸管的导通和关断以便切断或接通加热电源调整电工功率从而控制电阻炉的温度稳定在设定值上本文的控制算法采用的是普通的 PID 控制算法 31 积分分离 PID 控制算法 PID 控制的原理和特点 为比例积分微分控制简称 PID控制 PID控制器结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之一当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它技术难以采用时系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定这时应用 PID 控制技术方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时最适合用 PID控制技术 PID控制实际中也有 PI 和 PD控制 PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量进行控制的比例 P 控制 图 31 比例的控制框图 将此图进行仿真以上比例 P 的设定 数据可以在实验中反复调试最终当 P 为20 时根据实验仿真出来的图形得出此时系统的温度设定相对稳定 得出的仿真图如下 图 32 比例仿真图 比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差信号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 Steadystate error 积分 I 控制积分I 控制 在积分控制中控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 System with Steadystate Error 为了消除稳态 误差在控制器中必须引入积分项积分项对误差取决于时间的积分随着时间的增加积分项会增大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而加大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零因此比例积分 PI 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差 图 33 PI 控制系统框图 由以上的控制系统框图我们可以得出的仿阵图如下 图 34 PI 仿真图 由以上的仿真图我们可以得出与只有 P 时相比系统的稳态 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 delay 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 图 35 PID 系 统控制框图 以上数据的调试是根据实验中仿真系统的稳态性能进行调试的当最终确定为以上数据时我们得出的控制系统的仿真图如下 图 36 PID 系统仿真图 由以上三组仿真出来的图形我们可以看出系统的稳态性能确实是逐步得到改善但是对于以上的仿真图我们也发现系统的稳态性能在最后即使得到了逐步的改善但是最终系统的稳态性能也不是很好这就要求我们在系统的设置上采用一种更好的控制方案这里选用史密斯预估补偿方案 设计的史密斯预估补偿控制框图如图 29 37 史密斯预估补偿控制框图 由以上的控制框图我们可以得出以下的仿真图 图 38 史密斯预估补偿控制仿真图 由仿真图我们可以发现系统的稳态性能得到了很大的改善因此说经过预估补偿后闭环控制方程中已消去了也就是消除了时滞对控制品质的不利的影响对于随动控制系统控制过程仅在时间上推迟了时间 t 这样系统的过度过程状态与品质和无时滞的完全相同对于定值控制系统控制作用要比扰动滞后一个 t 时间所以控制效果不及岁动控制系统那样明显 史密斯预估补偿器的应用近年才日益普遍主要原因是物理实现问题但随着电子计算机应用特别是 DCS 系统中事实跟尾方便这种补偿器不仅可用于单输入单输出系统也可用于多输入多输出系统 史 密斯预估补偿器对大时滞过程尽可能提供很好的控制质量但遗憾的是其控制质量对模型误差十分敏感特别是时滞时间和增益误差所以对非线形严重或时变增益的过程这种对非线性史密斯预估补偿器是不太适用的 [7] 32 占空比函数 设定 U k 变化量是从 10 到 10 占空比α为 0 到 100 则得到变化量 k 的值 31 32 则α与 U k 的关系式为 33 34 35 设电源导通周期为 20ms 则在一个周期内加热的时间 Ton α T 在加热的过程中当温度达到设置的温度时根据占空比我们可以求算出在一个周期内加热的时间这样避免了能源的浪费更重要的是避免了加热中温度不能达到设定值 由以上的公式我们可以研究出一个这样的结论在 10 到 10 之间 表 31 由 Uk 和占空比得出加热时间 u k 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 a 1 095 09 085 08 075 07 065 06 055 05 Ton 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 045 04 035 03 025 02 015 01 005 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 由以上的表格我们可以看出 U k 与加热时间是成反比 U k 越高则加热的时间越短则在实际电加热炉控制系统中我们可以根据实际情况设置的数据运算出占空比然后根据占空比计算出加热时间 结论 本文所设计的电加热炉是通过调节输入电压从而来控 制输出温度的电压是控制好电加热炉温度的重要参数控制好这一参数能较好地保证温度的稳定这里以电加热炉为被控对象通过对电加热炉对象的特性的分析来确定电加热炉系统的构成及控制方案建立了电加热炉数学模型同时应用 PID 控制算法来实现电加热炉的温度控制 而对于系统采用积分分离 PID 智能控制可以达到理想的控制效果控制方案合理稳定精度高超调量小结构简单调试方便抗干扰性强能够实时显示当前温度便于监控 当然对于普通的 PID 算法也存在着局限性一般来说所有的工业控制对象都具有时滞的对象衡量过程对象时滞的大小通常采用过程时滞 t 和过程等 效时间常数 T之比 tT它们之比越大越不容易控制当 tT大于 0305时可称为具有大时滞的系统对于大时滞系统能够采用 PID[1] 科学出版社 20202029 页 [2] 电子工业出版社 202040285 页 [3] 何克忠 出版社 19982850 页 [4] 范立南谢子殿 单片机原理及应用教程北京大学出版社 20202050 页 [5] 沈德金 MCS51 系列单片机接口电路与应用程序实例北京航空 66页 [6] 200210 页 [7] 何衍庆俞金寿集散控制系统原理及应用化学工业出版社 110 页 [8] 丁元杰单片机原理及应用机械工业出版社 19993 [9] 陈伯时电力拖 动自动控制系统机械工业出版社 50 页 [10] 周荷琴吴秀清微型计算机原理与接口技术合肥中国科学技术大学出版社 2020207239 页 [11] 张 明 王 诗 基于 预 测偏 差 的 模型 算 法 控制 [J] 清 华大 学 学 报199019951050 页 [12] Liming Wu Tian you Chai Decoupling of a class of nonlinear discrete systems using neural works[J] Proc Of 1995 American Control Conference Seattle USA 1995 6 42754279 [13] LATHIbp1974 Signal Systems and Controls New York Text Educational Publishers [14] ThalerGJ1973 Design of Feedback Systems California Naval Postgraduate School Monterrey 附录 1 系统软件 系统的软件由主程序中断服务程序和子程序 等组成主程序的任务是对系统进行初始化实现参数输入并控制电加热炉的正常运行中断服务程序实现定时采样和输出控制子程序主要有采样子程序数字滤波子程序控制算法子程序数制转换子程序显示子程序等在采样子程序中包括对 AD启动读后结果及把 AD结果转换为实际温度直由于热电偶本身的非线性及模拟输入通道存在的非线性需要将 AD值与温度值之间的对应关系存入 ROM 中为了缩小测温范围将整个温度范围划分几个区当被测温度属于某个区域则在相应的区域里去查寻便找到新对应的温度值 程序清单 Dat8279 EQU 8000H 8279 数据命令口地址 Com8279 EQU 8001H 8279 状态命令口地址 DISBUF EQU 20H 显示缓冲区起始地址 EOC BIT P32 TLC2543 结束信号接在 P32 ALARMU BIT 08H 温度超过上限报警标志位 ALARMD BIT 09H 温度超过下限报警标志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP INT1 MAIN CRL P10 清报警声音 CLR P11 清红灯 SETB P12 绿灯亮 SETB P14 电炉加热 MOV SP 60H 设置堆指针 CLR A ST DPTR Com8279 送 8279 命令状态口地址 MOV A 0D1H 总清 显示 RAM 命令字 MOVX DPTR A 总清除命令字写入 8279 LP MOVX A DPTR 读 8279 内容状态字 JB ACC7 LP1 等待清除显示 RAM MOV A 10H 设置 8279 方式命令字键盘显示 MOVX DPTRA 命令字送入 8279 MOV A 34H 对 CLK20 分频为 100K MOVX DPTR A 分频命令字写入 8279 MOV DPTR BISBH 显示提示符 BH LCALL DIS MOV 20H 80H 20H 为键盘数据缓冲单元首址设 D7 1 SETB IT1 INT1 下降沿触发 SETB EA 开放 CPU SETB EX1。