温度控制系统设计计算机控制技术课程设计Word文件下载.docx
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日
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
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0-5伏时对应电炉温度0-300℃,温度传感器测量值对应也为0-5伏,对象的特性为积分加惯性系统,惯性时间常数为T1=40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β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:
6月26日查阅和准备相关技术资料,完成整体方案设计
6月27日—6月28日完成硬件设计
6月29日—6月30日编写调试程序
7月1日—7月4日撰写课程设计说明书
7月5日提交课程设计说明书、图纸、电子文档
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
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:
PID控制Matlab系统超调量
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0-300℃,温度传感器测量值对应也为0-5伏,对象的特性为积分加惯性系统,惯性时间常数为T1=40秒,滞后时间常数为τ=10秒。
要求完成的任务:
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,但也不能太大,否则会使误差不能及时消除。
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1K~2800℃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-200~800℃范围内使用,后者一般只在-50~150℃范围内使用,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-45~85℃,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。
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。
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,并继续按照预定的采样周期进行采样,直至温度稳定为给定值。
3控制算法
3.1PID控制算法
模拟PID控制器的控制规律为
(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
(2-2)
根据式(2-2)可写出u(k-1)的表达式
(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
(2-4)
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。
3.2积分分离的PID控制控制算法
在一般的PID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)|>
β时,采用PD控制;
当|e(k)|≤β时,采用PID控制。
积分分离阈值b应根据具体对象及控制要求确定。
若b值过大,则达不到积分分离的目的;
若b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。
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
通过Matlab仿真,取Kp=0.1,Ti=50,Td=20,T=5s,b=0.1,在MatlabCommand窗口中输入如下程序语句:
clearall;
closeall;
ts=5;
%采样时间5s
sys=tf([1],[40,1,0]);
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)|>
β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)|≤β时,Switch开关打到下方,加入积分调节作用,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。
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。
(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
(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
(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
4.3结果分析
通过仿真可以看出,当K、Td、T、b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;
积分作用太弱,消除静差的速度太慢,会使系统长时间的振荡。
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!
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
附录仿真程序及仿真图
本科生课程设计成绩评定表
性别
专业、班级
课程设计题目:
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
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