计算机控制设计基于PID电阻炉温度控制系统教程方案.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