毕业论文（设计）--基于PID控制的淬火炉炉温控制系统设计.doc

基于PID控制的淬火炉炉温控制系统设计 1总体方案设计 这次课程设计针对PID控制的淬火炉进行温度控制，设计步骤分为以下几步。 首先进行控制系统的建模和数字控制器设计，设计方案为：选用Ziegler-Nichols方法进行PID参数整定，建立闭环控制系统，用MATLAB仿真，得到达到要求的PID参数。 硬件的设计与实现，单片机选用AT89C52，温度采集用热电偶，配合MAX6675使用，DA转换用DAC0802实现，LCD用来显示温度。系统框图如图1-1 图1-1 系统框图 软件设计，先编写子程序，包括A/D转换和温度检测子程序，延迟子程序，D/A转换子程序，PID控制程序，最后系统初始化并编写主程序。 最后用protues进行硬件连线和仿真，看能否达到系统要求，对温度进行控制。 2控制系统建模和数字控制器设计2.1设计内容 淬火是生产过程中的一道关键工序，其温度控制的精度直接影响到产品的质量。淬火炉温度控制通常由多个温区。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范围00-800℃，控制精度在±1℃。温度探头选用热电偶。输出0-10mA电流信号通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，输入电流输出电压线性关系。其对象温控数学模型为： 其中：时间常数 T＝400秒放大系数 K＝100℃/mA滞后时间 τ=10秒控制算法选用PID控制。 PID控制器是按照偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器的简称，主要针对控制对象进行参数调节。当被控对象的结构和参数不能被完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。PID控制器就是根据设定值与实际值的误差，利用比例、积分、微分等基本控制规律，或者把它们适当配合形成有PI，PD和PID等的复合控制规律，使控制系统满足性能指标要求。 典型PID控制系统结构图如图2-1，对误差信号分别进行比例、积分、微分、组合控制。 图2-1 PID控制系统结构图 PID控制算法模拟表达式为： （2-2） （2-3） 在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，是模拟PID离散化变为差分方程。 数字PID位置型控制算式为： 数字PID增量型控制算式为： （2-5） 其中 称为比例增益； 称为积分系数； 如果单纯的用数字PID控制器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。因此必须发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势、才能在控制性能上超过模拟调节器。 在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、也为及其他工艺参数的自动控制。比例作用P只与偏差成正比；积分作用I是偏差对时间的积累；微分作用D是偏差的变化率。 比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差。当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。 为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，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，即使误差很小，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少，直到等于零。 积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。 由于自动控制系统有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，在调节过程中可能出现过冲甚至振荡。解决办法是引入微分(D)控制，即在误差很大的时候，抑制误差的作用也很大；在误差接近零时，抑制误差的作用也应该是零。 应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。本次设计采用Ziegler-Nichols方法来PID参数 2.3Ziegler-Nichols方法 Ziegler-Nichols方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法．在设计过程中无需考虑任何特性要求，整定方法非常简单，但控制效果却比较理想。 传统的PID经验调节大体分为以