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计算机控制技术课程设计基于PID电阻炉温度控制系统精要.doc
科 技 学 院
课程设计报告
( 2013 -- 2014年度 第 2 学期)
名 称: 计算机控制系统A
题 目:
院 系: 动力工程系
班 级: 自动化11K×班
学 号:
学生姓名:
指导教师:
设计周数: 1周
成 绩:
日期: 2014 年 7 月 11 日
基于Smith-PID电阻炉温度控制系统
一、课程设计
1.电阻炉温度控制在0~500℃;
2. 加热过程中恒温控制,误差为±2℃;
3. LED实时显示系统温度,用键盘输入温度,精度为1℃;
4. 采用Smith-PID数字控制算法,要求误差小,平稳性好;
5. 温度超出预置温度±5℃时发出报警。
2方案设计
本系统是一个典型的温度闭环控制系统,需要完成的功能是温度设定、检测与显示以及温度控制、报警等。温度的设定和显示功能可以通过键盘和显示电路部分完成;温度检测可以通过热电阻、热电偶或集成温度传感器等器件完成;温度超限报警可以利用蜂鸣器等实现;温度控制可以采用可控硅电路实现。
系统采用作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。8051片内除了128KB的RAM外,片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时,只需要外扩一个容量较小的程序存储器,占用的I/O口减少,同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源,简化了设计,降低了成本可以完成设计要求。PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活,不仅可以用常规的PID调节,而且可以根据系统的要求,采用各种PID的变型,如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点,如不需要求出数学模型、控制效果好等,特别是在微机控制系统中,对于时间常数比较大的被控制对象来说,数字PID完全可以代替模拟PID调节器,应用更加灵活,使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图所示:
3.2数字控制器的设计
具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统,其数学模型可表示为:
采用离散Smith预估控制系统。该系统框图如下
设包括零阶保持器在内的广义被控对象传递函数为
式中:T为采样周期,并设m=(取整数)。
纯滞后补偿器的传递函数为
采用由传递函数直接求差分方程式的方法进行计算,其步骤如下。
计算外反馈回路偏差e1(n),即
式中:y(n)为被控量第n次采样时的数值;R(n)为给定值,在定值控制系统中为常数。
计算纯滞后补偿器的输出y1(n),即
化为微分方程式,则可写成:
用差分代替微分,则有
在计算第n次采样的z(n)值时,p(n)尚未计算,因而用p(n-1)和p(n-2)代替p(n)和p(n-1)。经移项整理后得
其中;;;
纯滞后补偿器的输出为
计算内反馈回路偏差e2(n),即
计算数字控制器输出p(n),控制器采用PID控制规律,则
式中:为控制器的比例系数;为积分系数,;为微分系数,。
P(n)即为计算机的控制输出,用以控制执行机构的信号。若有需要还可用此p(n)重新计算z(n),作为下一个采样周期的z(n-1)值。
Smith预估补偿控制程序流程框图如下
硬件设计
系统的硬件电路包括微控制器部分(主机)、温度检测、温度控制、人机对话(键盘/显示/报警)4个主要部分
本次设计采用的是89C51单片机
电热阻控制系统结构框图
2.温度检测电路。温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D转换器三部分。温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。型号为WZB-003的铂热电阻适合于0~500的温度测量范围,可以满足本系统的要求。变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压,当温度在0~500时变送器输出0~4.9V左右的电压。
A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差,采用8位A/D转换器,其最大量化误差为,能够满足精度要求。因此,本系统采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后,调整变送器的输出,使的温度变化能对应于0~4.9V的输出,则A/D转换对应的数字量为00H~FAH,即0~250,转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度变换的工作量,另一方面还
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