1、基于PID控制的淬火爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計1總體方案設(shè)計這次課程設(shè)計針對PID控制的淬火爐進行溫度控制，設(shè)計步驟分為以下兒步。首先進行控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計，設(shè)計方案為：選用Zieglei-Nichols方法進行PID參數(shù)整定，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，用MATLAB仿真，得到達到要求的PLD參數(shù)。硬件的設(shè)計與實現(xiàn)，單片機選用AT89C52,溫度采集用熱電偶，配合MAX6675使用，DA轉(zhuǎn)換用DAC0802實現(xiàn)，LCD用來顯示溫度。系統(tǒng)框圖如圖1-1。圖1-1系統(tǒng)框圖軟件設(shè)計，先編寫子程序，包括A/D轉(zhuǎn)換和溫度檢測子程序，延遲子程序，D/A轉(zhuǎn)換子程序，PID控制程序，最后系統(tǒng)初始化并編寫主程序。最

2、后用prouies進行硬件連線和仿真，看能否達到系統(tǒng)要求，對溫度進行控制。 2控制系統(tǒng)建模和數(shù)字控制器設(shè)計2.1設(shè)計內(nèi)容淬火是生產(chǎn)過程中的一道關(guān)鍵工序，其溫度控制的精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。淬火爐溫度控制通常由多個溫區(qū)。本設(shè)計針對一個溫區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范圍600-800C,控制精度在lCo溫度探頭選用熱電偶。輸出0-10111A電流信號通過雙向可控Ts+1硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓，輸入電流輸出電壓線性關(guān)系。其對象溫控數(shù)學(xué)模型為:(2-1)其中：時間常數(shù)T=400秒，放大系數(shù)K=100C/niA,滯后時間t=10秒，控制算法選用PLD控制。2.2PID控制器的原理PLD控制器是

3、按照偏差的比例、積分、微分進行控制的調(diào)節(jié)器的簡稱，主要針對控制對象進行參數(shù)調(diào)節(jié)。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能被完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便PID控制器就是根據(jù)設(shè)定值與實際值的誤差，利用比例、積分、微分等基本控制規(guī)律，或者把它們適當配合形成有PI,PD和PID等的復(fù)合控制規(guī)律，使控制系統(tǒng)滿足性能指標要求。典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1,對誤差信號分別進行比例、積分、微分、組合控制。圖2-1PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PED控制算法模擬表達式為:TOC o 1-5 h z=Kpe(t)+Let)dt+Td竽(2-2)對應(yīng)的模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：二器=心(1+4+

4、匚)小、E(s)Tq(2-3)在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用后向差分代替微分，是模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。?shù)字PID位置型控制算式為：(約=Kpe(k)+名左+Td心)-；伙-1)(2-4)數(shù)字PID增量型控制算式為：/=“(燈=Kpe(k)-e(k-1)+7鍬)+KDe(k)-2e(k一1)+e(k-2)(2-5)其中K稱為比例增益；ut匕二心亓稱為積分系數(shù)；Kd=Kp稱為微分系數(shù)。如果單純的用數(shù)字PID控制器去模仿模擬調(diào)節(jié)器，不會獲得更好的效果。因此必須發(fā)揮計算機運算速度快、邏輯判斷功能強、編程靈活等優(yōu)勢、才能在控制

5、性能上超過模擬調(diào)節(jié)器。在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分(PID)運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、也為及其他工藝參數(shù)的自動控制。比例作用P只與偏差成正比；積分作用I是偏差對時間的積累；微分作用D是偏差的變化率。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少穩(wěn)態(tài)誤差。除了系統(tǒng)控制輸入為0和系統(tǒng)過程值等于期望值這兩種情況，比例控制都能給出穩(wěn)態(tài)誤差。當期望值有一個變化時，系統(tǒng)過程值將產(chǎn)生一個穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，

6、會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中加入積分項，積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即使誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減少，直到等于零。積分和比例(P)通常一起使用，稱為比例十積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后圖2-2不加PID控制器結(jié)構(gòu)圖 無穩(wěn)態(tài)誤差。如果單獨用積分(I)的話，由于積分輸出隨時間積累而逐漸增大，故調(diào)節(jié)動作緩慢，這樣會造成調(diào)節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。由于自動控制系統(tǒng)有較大的慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后(delay)組件，在調(diào)節(jié)過程中可能出現(xiàn)過沖英至振蕩。解決辦法是引入微分(D)控

7、制，即在誤差很大的時候，抑制誤差的作用也很大；在誤差接近零時，抑制誤差的作用也應(yīng)該是零。應(yīng)用PID控制，必須適當?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP,積分時間TI和微分時間TD,使整個控制系統(tǒng)得到良好的性能。本次設(shè)計釆用Zieglei-Nichols方法來PID參數(shù)整定。2.3Ziegler-Nichols方法Zieglei-Nichols方法是基于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的PID整定方法.在設(shè)計過程中無需考慮任何特性要求，整定方法非常簡單，但控制效果卻比較理想。傳統(tǒng)的PID經(jīng)驗調(diào)節(jié)大體分為以下兒步：1關(guān)閉控制器的I和D元件，加大P元件，使產(chǎn)生振蕩。2減小P,使系統(tǒng)找到臨界振蕩點。3加大I,使系統(tǒng)達到設(shè)定值。4重新上

8、電，觀察超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否符合系統(tǒng)要求。5針對超調(diào)和振蕩的情況適當增加微分項。以上5個步驟在調(diào)節(jié)PID控制器時的普遍步驟，但是在尋找合時的I和D參數(shù)時，并非易事。JolmZiegle和NathanielNichols發(fā)明了著名的凹路整定技術(shù)使得PID算法在所有應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的反饋控制策略中是最常用的。Zieglei-Nichols整定技術(shù)是1942年第一次發(fā)表出來，直到現(xiàn)在還被廣泛地應(yīng)用著。所謂的對PID回路的“整定”就是指調(diào)整控制器對實際值與設(shè)定值之間的誤差產(chǎn)生的反作用的積極程度。如果正巧控制過程是相對緩慢的話，那么PID算法可以設(shè)置成只要有一個隨機的干擾改變了過程變量或者一個操作改

9、變了設(shè)定值時，就能釆取快速和顯著的動作。相反地，如果控制過程對執(zhí)行器是特別地靈敏而控制器是用來操作過程變量的話，那么PID算法必須在比較長的一段時間內(nèi)應(yīng)用更為保守的校正力?；芈氛ǖ谋举|(zhì)就是確定對控制器作用產(chǎn)生的過程反作用的積極程度和PID算法對消除誤差可以提供多大的幫助。經(jīng)過多年的發(fā)展，Zieglei-Nichols方法已經(jīng)發(fā)展成為一種在參數(shù)設(shè)定中，處于經(jīng)驗和計算法之間的中間方法。這種方法可以為控制器確定非常精確的參數(shù)，在此之后也可進行微調(diào)。Ziegler-Nichols方法分為兩步：1構(gòu)建閉環(huán)控制凹路，確定穩(wěn)定極限。2根據(jù)公式計算控制器參數(shù)。穩(wěn)定極限是由P元件決定的。當出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩時就達到

10、了這個極限。產(chǎn)生了臨界系數(shù)Kpcnt和臨界振蕩周期Tent確定臨界系數(shù)Kpcnt和臨界振蕩周期Tc皿后，根據(jù)表2-1的公式，計算其他參數(shù)：表2-1PLD參數(shù)的計算控制器類型計算特征數(shù)據(jù)T.td&心P0.5KPcritPDO.SKPcrit0.12TcntKJdPI0.45KPcnt0.85TcntK幾PLD0.6KPcrit0.5Tcnt0.12TcntK幾52.4PID參數(shù)的整定首先建立閉環(huán)系統(tǒng)，采用階躍輸入，不加入PID控制器，如圖2-2,用MATLAB仿真,得到輸出如圖2-3。Kg145刊caiXiUq龍*、o01fi?LI舍|X心f?匚：二|300k-rslzJ爭巴El莎出1異風(fēng)JH亍

11、務(wù) 圖2-4加入PID控制器的結(jié)構(gòu)圖 圖2-3不加PID控制器的階躍響應(yīng)加入PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖2-4untitleduj回FileEditViewSimulationFormatToolsHelpDyS黑電念00lllormal三|鳥窗（?）彥幽|*畫園今鬱Ready|100%ode45根據(jù)Zieglei-Nicliols方法，先使積分和微分系數(shù)為0,只用比例控制，比例系數(shù)從小到大,使階躍響應(yīng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)振蕩，當Kp=0.655時，得到圖2-5所示曲線。圖2-5Kp=0.655時的曲線由此可知KPcrit二0.655,Tcrit二37,由表2-1可以計算出PID參數(shù):=0.6KPcnt=0.

12、6*0.655=0393(2-6)-Kp=0393_0()21(2-7)0.5Tcnt0.5*37=0.12TcntKp=0.12*37*0.393=1.744(2-8)圖26用計算參數(shù)得到的曲線用計算的參數(shù)進行仿真得到圖2-6,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)較大，將積分系數(shù)減小，比例和微分系數(shù)進行微調(diào)，最后當Kp=0.36、心=0.0006、心=1.8時曲線如圖2-7所示。圖27參數(shù)調(diào)整后得到的曲線3硬件的設(shè)計與實現(xiàn)3.1完整系統(tǒng)電路圖LCD1iioia圖3-1完整系統(tǒng)電路圖圖3-1為本次設(shè)計的完整系統(tǒng)電路圖。3.2溫度檢測本系統(tǒng)采用熱電偶來采集溫度，并使用MAX6675作為熱電偶放大器和A/D轉(zhuǎn)換。熱電偶是

13、一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在Seebeck電動勢：熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表，分度表是自由端溫度在0C時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金

14、屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。Maxim公司新近推出的MAX6675即是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、AQ轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。MAX6675的主要特性如下：簡單的SPI串行口溫度值輸出；0C十1024C的測溫范圍；12位0.25C的分辨率；片內(nèi)冷端補償；高阻抗差動輸入；熱電偶斷線檢測；單一+5V的電源電壓；低功耗特性；工作溫度范圍-20C+85C：2000V的ESD信號。MAX6675是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補償傳感和校正、數(shù)字

15、控制器、1個SPI兼容接口和1個相關(guān)的邏輯控制。3.3溫度顯示本次設(shè)計的顯示部分采用LM016L,可顯示2行16列英文字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7,RS,R/W,EN三個控制端口（共14線），工作電壓為5Vo沒背光，和常用的1602B功能和引腳一樣（除了調(diào)背光的二個線腳）。本次設(shè)計用LM016L顯示爐溫溫度和用戶設(shè)定的溫度。3.4D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換采用DAC0832來實現(xiàn)，DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量（電流）輸出的轉(zhuǎn)換。分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為ips,滿量程誤差為土1LSB,當ILE為高電平，片選信號/CS和寫信號八VR1為低電平時，輸入寄存器控

16、制信號為1,這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當AVR1由低電平變高時，控制信號成為低電平，此時，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。對第二級鎖存來說，傳送控制信號/XFER和寫信號/WR2同時為低電平時，二級鎖存控制信號為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當/WR2由低電平變高時，控制信號變?yōu)榈碗?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。3.5加熱電路加熱電路如圖3-2o當爐溫溫度低于設(shè)定的溫度時，L1進行加熱，而由于電容，加熱的快慢取決于兩個溫度值的差值。4軟件設(shè)計14-1主桎序流根圖主程序流程圖如圖4-1所示

17、。熱電偶檢測到的溫度經(jīng)MAX6675放大和A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，程序首先在液晶顯示器上顯示開始設(shè)定的溫度和實際溫度，接著一直掃描鍵盤，如果KSO按下一次，則設(shè)定溫度加1,并在液晶顯示器上顯示出來；如果KS1按下一次，則設(shè)定溫度減1,在液晶顯示器上顯示出來。將設(shè)定值溫度與實際值比較，計算差值，如果實際溫度小于設(shè)定溫度，將差值送入DAC轉(zhuǎn)換器，是加熱電路進行加熱，如果實際溫度大于設(shè)定溫度，因為沒有冷卻裝置，只能不進行加熱，是溫度自然將下來。運行過程對鍵盤掃描重復(fù)上述過程。參考文獻潘新民.單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計.人民郵電出版社，1992.07沙占友.單片機外圍電路設(shè)計M.北京：電子工業(yè)出版社，2

18、003.01于海生.微型計算機控制技術(shù).清華大學(xué)出版社,2007孫育才.ATMEL新型AT89S51系列單片機及其應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2005.01賈金玲.單片機原理及應(yīng)用.電子科技大學(xué)出版社，2004.08附錄1主程序include#iiicludeinclude#iiiclude#mclude#iiiclude#mclude#defineucharunsignedchar#defineunitunsignedintuchaim;sbitlcd=P2A0;sbitDOUT=P2A3;sbitSCLK=P2A4;sbitCS=P2A5;sbitle=P2人1;sbitoe=P2A2;sbit

19、RELAY=P2人6;sbitKSO=P1AO;sbitKS1=P1A1;sbitKS2=P1A2;ucharcodeLcdBufl=Settemp:n;ucharcodeLcdBuf2=nReltemp:11;ucharVief=5;uchara6;ucharg6;unsignedcharsumout;umtSET_TEMP=650;unsignedintiead_max6675(void)unsignedchar1；unsignedintAD=0;cs=o；SCLK=0;/*輸出數(shù)據(jù)D15*/SCLK=1;foi(i=12;i0;i-)/*讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果*/SCLK=0;if(DOUT=l)

20、AD十十；AD=AD1;/*數(shù)據(jù)左移*/SCLK=1;SCLK=0;/flag=SO;/*讀取D2斷偶標志*7SCLK=1;SCLK=O;嚴輸出數(shù)據(jù)DI*/SCLK=1;SCLK=O;嚴輸出數(shù)據(jù)DO*/SCLK=1;CS=1;letuinAD;unsignedADC1()long1；uintq=0;l=read_max6675(j;1=(24489/4100)*l*VieR1;轉(zhuǎn)換為電壓值1=1+7500;g0=(l/10000)%10+*0*;取得整數(shù)值到數(shù)組gl=(l/1000)%10+,0,;g2=(l/100)%10+0,;a3=T;忽略小數(shù)/a4=t%10+,0,;q=(g00)*1

21、0Q+(gl0尸10+(g2卜O);letuinq;voidADCQlongt; t=read_max6675(J;t=(24489/4100)*t*VieRl;/轉(zhuǎn)換為電壓值t=t+7500;a0=(t/10000)%l0+0;取得整數(shù)值到數(shù)組al=(t/1000)%10+,0,;a2=(t/100)%10+0,;voidconstant_tempeiatuie()恒溫unitb;b=(a0-,0,)*100+(al-,0,)*10+(a2-,0,);if(b=SET_TEMP)RELAY=O;m=SET_TEMP-b;m=(unsignedcha】)(m/256);elseRELAY=1;

22、m=SET_TEMP-b;m=(unsignedcha】)(m/256);voiddelay_ms(ucharms)uniti,j;foi(i=0;ims;i+)foi0=0;jSetPoint-NextPoint;/*計算當前偏差*/pp-SuniEnoi+=Enoi;/*積分總偏差*/dEnoi=pp-LastEnoi-pp-PrevEnor;pp-PievEnoi=pp-LastEnor;/*當前微分*/pp-LastEnoi=Enor;retuni(NextPomt+pp-Pioponionpp-Deiivative*dEnoi);/*三個誤差值移位*/Enoi十pp-Integral

23、*pp-SumEnor十/*返回總的誤差值*/voidpid(void)PLDsPID;doublelOut;unsignedchariln;doublex；sPID.Pioportion=0.36;sPID.hitegial=0.0006;sPID.Deiivative=1.8;sPID.SetPoint=2.0;unsignedchaisumout;進入循環(huán)檢測狀態(tài)中*/unsignedchari;rLi=ADC10；fbr(i=0;i50;i+)x=5.0*(double)ihi/256.0;lOut=PIDCalc(&sPID,x);sumout=iOut*256/5;voiddac0

24、832(out)/*定義PID結(jié)構(gòu)體變量*/*PID響應(yīng)輸出*/*PLD反饋（Input）*/*設(shè)置PED比例系數(shù)*/*設(shè)置PID積分系數(shù)*/*設(shè)置PID微分系數(shù)*/*設(shè)置PID輸出值*/*PID/*讀傳感器輸出*/*計算PID輸出*/RELAY=O;P3=out;delav(lOO);RELAY=1;voidkey(void)if(KSO=O)delay_ms(l);if(KSO=O)SET_TEMP卄；while(!KS0);if(KSl=0)delay_ms(l);if(KSl=0)SET_TEMP-;while(!KSl);display_onechar(0,9,SET_TEMP/10

25、0+,0,);display_onechar(0,i0,(SET_TEMP%100)/10十O);display_onechai(0,ll,SET_TEMP%10十O);mainQlcd_init();display_stiing(O,O,LcdBufl);display_string(1,0,LcdBuf2);Wnte_CGRAM(LcdBuf);向CGRAM寫入自定義的攝氏度符號display_onechai(0,12,0);顯示自定義的攝氏度符號display_onechar(0,13,1);顯示自定義的攝氏度符號displav_onechai(1,12,0);display_onech

26、ar(1,13,1);while(l)key();ADCO；constaiit_teniperanue();display_stfing(1、9,a);P】d()；dac0832(sumout);delay_ms(100);附錄2LCD程序#ifndefLCD_1602_#deflneLCD_1602_#iiiclude#iiicludesbitLCD_RS=P2A0;sbitLCD_RW=P2A1;sbitLCD_E=P2人2;#defineLCD_DATAPOunsignedchaicodeLcdBuf=自定義漢字5X7;最大能存儲64個字節(jié)OxOc.Ox12,0 x12,OxOc.OxO

27、O,0 x00.0 x00,0 x00,0 x0f,0 x10,0 x10,0 x10.Ox10,0 x10.OxOfOxOO,；voiddelay(unsignedmtms)unsignedchaiy;fbi(;ms0;ms)for(y=120;y0;y-);bitlcd_busy()測試LCD忙碌狀態(tài)bitresult;LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_E=1;_nop_0；_nop_0；_nop_0；_nop_0；lesult=(LCD_DATA&0 x80);LCD_E=0;retuinresult;voidWnteCommand(unsignedchaiwdata)while(lcd_