王PID温度控制Word格式文档下载.docx
- 文档编号:21327622
- 上传时间:2023-01-29
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:319.30KB
王PID温度控制Word格式文档下载.docx
《王PID温度控制Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《王PID温度控制Word格式文档下载.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
当箱内温度即将达到预置温度使,电热元件停止全功率加温,通过电路内部的比例积分微分计算,产生控制信号控制可控硅调压,使箱内温度升温速度减缓,以免超出温度预置值。
2、整体思路设计:
3、方案设计:
方案一:
硬件实现
电源调整
方案二:
软件实现
4、两种方案的比较、选择:
方案一,用硬件电路实现PID调节功能。
即采用集成运算放大电路完成PID控制的调节,在实现原理上为首选方案,但是同时要考虑到后期电路功能调节及功能扩展上的难度及局限性。
方案二,用软件编程方式实现PID调节功能。
用软件方式实现的关键在于单片机的语言程序。
因为汇编语言中并没有积分计算和微分计算的指令。
此外,可控硅的触发在实践上要求严格,也会给编程造成一定困扰。
比较以上两种方案,选择用硬件电路来完成实验设计。
系统框图如下所示:
三、单元电路设计
1、温度采集模块:
此图为温度采集电路。
将热敏元件焊接在电桥回路中,利用电桥回路的特性对与之温度值与环境温度进行比较,并输出。
其中,热敏元件的选择如下:
可选用的热敏元件有:
热电偶、热敏电阻、DS18B20
1热电偶:
热电偶测温的基本原理是,两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的热电效应(塞贝克效应)。
两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。
热电偶传感器就是基于热电效应原理工作的传感器,是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器。
特点:
测量范围广、易于实现温度补偿,但价格较高。
2热敏电阻:
热敏电阻是用半导体元件制成的热敏器件,按其电阻——温度特性,分为三类:
正温度系数热敏电阻(PTC)、负温度系数热敏电阻(NTC)以及临界温度系数热敏电阻(CTC)。
在温度测量中使用最多的是NTC型热敏电阻。
灵敏度较高、工作温度范围宽、体积小、使用方便易加工成复杂的形状、可大批量生产、稳定性好、过载能力强。
3DS18B20:
测量的温度范围为-55°
C——+125°
C,在-10°
C——+85°
C范围内,精度为±
0.5°
C。
抗干扰能力强,体积小,采用一总线,可组网。
但精度不高。
小结:
热敏元件的选取:
综上所述,本设计中选用热敏电阻作为感温元件。
热电偶虽应用广泛,但是在恒温箱的设计中,温度调节大致在20°
C——70°
C范围间,而且价格较高。
DS18B20,精度低,不适用于PID控制的精确设计。
而热敏电阻的感温范围及其灵敏度都较为适合本设计试验。
2、转换电路:
此图为转换电路,利用集成运算放大器将电桥的输出进行转换、比较、放大,将微弱的信号变为较大信号。
3、比例微积分电路:
a)LM324简介:
LM324系列是带有差动输入的四运算放大器。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;
Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的特点:
1.短跑保护输出。
2.真差动输入级。
3.可单电源工作:
3V-32V。
4.低偏置电流:
最大100nA(LM324A)。
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源。
8.行业标准的引脚排列。
9.输入端具有静电保护功能。
LM324的稳压供电:
上图为LM324的稳压供电源,其中外接二极管其输出短路保护作用。
比例:
如原理图所示,集成运算放大器A2为比例部分,但在实际设计计算中,运放A1已对信号进行了放大。
将电桥的两输出分别接到A1的两输入端,设计为一差分比例运算电路。
取比例带为6°
(比例带是按照环境温度和设定点间差距比例修正加热的速率,离开设定点愈远,加热的速率愈快;
差距愈小,移动愈慢。
)电位器RP1用于预置温度,保证UI2>
UI1。
比例(P)调节作用:
按比例反应系统的偏差,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。
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。
如图所示:
比例带=6°
C,已测得,t=20°
C时,Rt=500Ω.假设温度每升高一度,热敏电阻阻值降低7Ω,则有:
设Rt=500Ω,RP1=400Ω,则,UI2-UI1=0.13V,
得:
U1=RP2/10*
*0.13;
5V=RP2/10*
RP2=400*
Ω
U2=
设U1=4V,U2=
5=
RP3=2.5*
积分:
积分(I)调节作用是,使系统消除稳态误差,提高无差度。
因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数T,T越小,积分作用就越强。
反之T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。
利用积分运算电路将信号的变化平均化,
U3=-
微分:
微分(D)调节作用是,微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。
因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。
此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
利用微分运算电路,;
来检测输出电压与输入电压的变化率。
U4=-RC
4、可控硅触发电路:
利用单结晶体管超生振荡电路,触发光耦,进而触发可控硅控制电灯亮端电压。
可控硅(晶闸管):
1、晶闸管的结构及原理:
一块半导体做成P-N-P-N四层结构,顶端的P区引出阳极,底端的N区引出阴极,靠近底端的P区引出阳极。
G极空置时,A-K间无论所加电压极性如何均不能导通。
当A-K极所加电压为A正K负,且G-K极加上G正K负的电压时,A-K间等同于二极管正向导通,要等A-K间电压接近零或极性变反才恢复截止。
2、晶闸管的特性:
1A极与K极间正向导通反向截止(类似二极管);
2A-K极正向导通需要G-K极加正向电压触发;
3G极只起触发作用,一旦A-K导通G极的任务便告完成。
(3)、晶闸管的主要参数:
1最大正向平均电流;
2、最大正、反向阻断电压;
3、最小导通维持电流;
4、最小控制极触发电压;
5、控制极最大允许正向电压。
⑷、晶闸管的主要用途:
晶闸管阳极与阴极间通过大电流和承受高电压的能力较强,因此常用作功率开关器件,但由于其关断要靠通过的电流减弱为零,因此通常用于交流电的控制,即当晶闸管A-K极受正向电压时,给G-K极加正向触发电压使A-K导通,当A-K极的正向电压减小至零时自然关断。
由于晶闸管的导通是受控的,因此晶闸管可控制负载“得电”(晶闸管导通)与“失电”(晶闸管截止)的时间比,从而控制负载所得电压的平均值或负载的平均电功率。
(5)、晶闸管调压原理:
由于晶闸管的导通需要触发,若交流电的每个半周到来后并不马上触发,而是延迟一定的时间后(不超过交流电的半周期)再触发,则与晶闸管串联的负载就只能得到半周期的部分电压,从而降低了负载所得电压的有效值。
5、晶闸管工作条件:
根据晶闸管的特性,晶闸管若要在每个正半周都导通,就要在每个正半周都触发一次,若要使负载得到的电压相对稳定,则每次触发的时间(以正半周出现的时间为起点)就要相对固定,即触发脉冲的周期要与正半周出现的周期相同并相对稳定,也就是触发脉冲必须与正半周同步。
另外,触发脉冲的宽度要尽量小,以免触发脉冲出现在正半周快要结束时跨越到下一个正半周(全波整流时)造成下一个正半周的误触发。
对触发脉冲的要求是:
合适的幅度和最小的宽度。
四、总体电路设计:
1、原理图:
(见下页)
2、元件清单:
元器件代号
名称
型号
规格
数量
Rt
热敏电阻
471
1
R0
电阻
51
R1,R2,R13,R15
510
4
R3—R9,R11,R16
10k
9
R10
2k
R12
1k
R14
50k
RP1
电位器
RP2—RP6
470k
5
C1—C4
电容
104
0.1uf
A~
集成运算放大器
LM324N
Q1
三极管
9013
Q2
单结晶体管
BT33FJ
U1
光敏耦合器
Q3
可控硅
BT169D
D1,D2
二极管
4007
8
D4
稳压二极管
T1
变压器
检测及调试方法:
比例微积分电路中的参数应随环境的变化进行调节,比例电路中的比例带随温度范围的变化而变化,一般情况下,占范围的10%。
但是,当调温范围过窄时,应适当的扩大比例带,以免加温过超。
而积分和微分电路的时间常数则需要在具体实验中实验调节。
因实验环境、时间等条件限制,理论与实践上的欠缺,项目的性能未能完全实现,望以后还有机会完成为实现的性能。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PID 温度 控制