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本科毕业设计(自然科学)题目恒温槽控制系统的设计与实现(偏硬)毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意作者签名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容作者签名 日 期 资料目录
1.学术声明………………………………………………………………~页
2.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)…………………………~页
3.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)任务书………………~页
4.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)开题报告……………~页
5.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)中期检查表…………~页
6.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)答辩记录表…………~页
7.河北科技师范学院本科毕业论文(设计)成绩评定汇总表……~页8河北科技师范学院本科毕业论文(设计)工作总结……………~页9其他反映研究成果的资料(如公开发表的论文复印件、效益证明等)……………………………………………………………~页河北科技师范学院本科毕业设计恒温槽控制系统的设计与实现(偏硬)院(系、部)名称河北科技师范学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名陈龙学生学号9310080213指导教师刘士光2012年5月21日河北科技师范学院教务处制学术声明本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院本人签名日期指导教师签名日期摘要本设计以STC89C52单片机为主要芯片,采用专家PID算法实现低温恒温槽的恒温控制温度控制部分,采用PID算法来控制双向晶闸管的导通,空气压缩机额定功率运行,通过调节加热器的功率来实现温度的控制检测部分采用AD590测温,经A/D转换后送入单片机显示部分采用74ls164串入并出进行显示,这样有效的提高了单片机I/O口的利用效率软件部分,采用专家控制技术和传统的PID调节相结合,改善了温湿度控制系统的动、静态性能,大幅度节约了能源,具有相当的工程实用价值和一定的学术理论研究价值,并真正实现了智能控制由仿真阶段应用到实际的过程该产品通过软硬件的合理设计,特别是算法的选择,大大提高了性价比,在实际中该产品具有广阔的推广、应用前景关键词恒温槽;专家PID;温度控制;数据采集AbstractThemainchipofthisdesignisSCMSTC89C52theexpertPIDalgorithmsistoachievelow-temperaturebaththermostaticallycontrolled.TemperaturecontrolpartofthePIDalgorithmistocontrolthebidirectionalthyristorconductionaircompressorratedpoweroperationandadjusttheheaterpowertoachievetemperaturecontrol.ThedetectionpartoftheAD590temperatureafterA/Dconverterintothemicrocontroller.Showsomeuse74ls164stringintoandoutfordisplaysothateffectivelyimprovetheutilizationefficiencyofthesingle-chipI/Oport.ForthepartofthesoftwareusingexpertcontroltechnologyandtraditionalPIDregulatorcombinationofimprovedtemperatureandhumiditycontrolsystemfordynamicandstaticperformancesubstantialenergysavingshasconsiderablepracticalvalueandacademicresearchvalueandtrulyintelligentcontroltotheactualprocessbythesimulationstage.Theproductthroughtherationaldesignofhardwareandsoftwareinparticularthechoiceofalgorithmandgreatlyincreasedcostinpracticetheproducthasthepromotionofbroadapplicationprospects.Keywords:Bath;expertPID;temperaturecontrol;dataacquisition目录TOC\o1-3\h\u摘要IAbstractI1绪论
11.1课题背景
11.2课题研究现状及发展趋势12系统硬件设计
22.1系统工作原理
22.2控制系统硬件的总体设计
32.3控制系统硬件单元设计
42.
3.1温度检测与信号变换电路的设计
42.
3.2数码管显示电路
72.
3.3控制输出电路
82.
3.4晶振电路的设计
112.
3.5复位电路的设计
112.
3.6分频电路的设计123系统软件设计
133.1算法的选择
133.
1.1专家控制系统简介
133.
1.2PID控制原理
143.
1.3专家PID控制原理
153.2专家PID控制系统的软件实现
173.
2.1专家PID控制系统的主程序框图
173.
2.2数据采集及处理程序
183.
2.3专家PID算法程序19结论20参考文献20致谢21附录22附录一恒温槽专家PID控制系统总原理图22附录二:程序代码231绪论
1.1课题背景随着工业的发展恒温槽被广泛应用于医疗、化工、生物等领域等需要进行高精度恒温场合这些应用场合要求恒温槽具有恒温精度高、稳定性好、可靠性高、结构简单、节能、成本低等特点而恒温槽的控制效果主要由其控制方法所决定PID控制算法由于其结构简单、物意义明确、鲁棒性强等显著的优点,使它在工业控制中处于主导地位,尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点,难以建立精确的数学模型,应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果;在实际生产现场中,由于受到参数整定方法繁杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工作情况的适应性很差因此,常规PID控制的应用受到限制和挑战因此,人们对PID控制做了各种改进工作本文分别对常规PID控制、模糊自适应PID控制、专家PID控制进行了对比分析
1.2课题研究现状及发展趋势最近十年来,在温度控制方法上有了快速的发展己从传统的直接控制转变成PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法
2.1.PID控制即比例、积分、微分控制这种控制由于其结构简单、实用、价格低,在广泛的过程领域内可以实现满意的控制,所以应用极其广泛该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较,差值作为PID功能块的输入PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数,利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制,使控制过程连续
2.2.人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术,是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络,拓扑结构算法各异,其中误差反向传播算法即BP算法应用最为广泛
2.3.模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象
2.4.模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标其特点是不须知道被控对象的精确模型,易于控制不确定对象和非线性对象,对被控对象参数变化有强鲁棒性,对控制系统干扰有较强抑制能力然而,模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤,规则库缺乏完整性,没有明确的控制结构PID控制器结构简单,明确,能满足大量工业过程的控制要求,特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动但PID本质是线性控制,而模糊控制具有智能性,属于非线性领域,因此,将模糊控制与PID结合将具备两者的优点即用过程的运行状态温度偏差及温度变化率确定PID控制器参数,用PID控制率确定控制作用主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制,即在一般PID控制系统基础上,加上一个模糊控制规则环节
2.5.遗传算法GeneticAlgoriths.简称GA是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合,通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串l或O引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化,朝全局最优方向收敛基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大,数字化送入单片机,单片机将其与给定温度进行比较,用遗传算法来优化3个PID参数,然后将控制量输出将专家PID控制技术应用于具有迟延、时变、非线性的恒温槽的温度控制中,克服了常规PID控制的易超调、波动大、稳定性差的缺点实验结果表明,它能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质,具有较强的鲁棒性和自适应能力而对于模糊PID,模糊PID恒温槽控制系统对于恒温槽内温度的变化调节更加平稳显示了很好的控制效果具体表现为温度上升和下降更为平稳基本没有出现过采用传统PID时温度的跳跃式上升和下降情况模糊自适应PID算法比普通PID算法的控制精度虽然没有太大的提高但是在控制稳定性上却大为提高经过恒温系统的实际运行基本得到预期的效果证明此系统的稳定性、实用性和可靠性综上所述,专家PID与模糊PID对于恒温槽的控制效果都要强于传统的PID控制,在未来,这两种方法将会成为主流2系统硬件设计
2.1系统工作原理采用专家PID数字式控制以达到快速响应和稳定的性能,控制器基于单片机,并使用最佳性能的程序,传感器置于槽内测量温度按恒温槽内状况,单片机将控制相应控制电路,使各工作部件开始工作,进行加热与制冷,连续控制获得适当的温度值,直至温度合适在封闭循环回路中控制器根据需要用电加热器加热和压缩机制冷保持所需温度,专家PID控制器对检定腔的准确性和稳定性的变化作出快速反应温度控制器控制系统结构框图如图2-1图2-2温度控制系统结构框图
2.2控制系统硬件的总体设计单片机控制系统中,由于主要利用软件算法实现控制方案,相比模拟控制较灵活;其次,单片机系统由于采用元器件较少,信号采用数字处理,避免了模拟信号传递过程中的畸变、失真,故受干扰小,可靠性高;第三,参数设定简便,可以使系统的调试工作变得方便因此,单片机控制系统非常适合于应用型控制领域又由于单片机系统具有体积小、成本低、易维护、性能稳定等特点,得到了越来越多的应用该测控系统的硬件框图主要包括单片机STC89C
52、温度传感器、信号放大电路、A/D转换器ICL
7135、输入设备(传感器、独立键盘)、输出设备(加热器、制冷器、数码显示器LED),其结构框图如图2-2其中微处理器STC89C52是整个系统的控制核心图2-3硬件总体结构框图
2.3控制系统硬件单元设计
2.
3.1温度检测与信号变换电路的设计a.器件选择a-1AD590简介型号AD590IAD590JAD590KAD590LAD590M单位最大非线性误差
0.
31.
50.
80.
40.3度最大标定温度误差
1052.
500.5度额定温度系数1uA/K额定输出电流
298.2(25度uA长期温度飘逸
0.1度/月响应时间20us壳与管角对地电阻10^10欧姆等效并联电容100pF工作范围+4至+30V表1AD590等效于一个高阻抗恒流源工作范围时+4~+30V,测温范围是-55~+150,对于温度变化范围内,对于热力学温度每变化1T就输出1电流在
298.2K
(25)输出的电流恰好等于
298.2这表明其输出电流与热力学温度严格成正比即因此,输出电流的微安数就代表热力学温度数,如需显示摄氏温度,需要加转换电路或进行转换计算有关系式a-2ICL7135简介ICI7135是4位双积分A/D转换芯片可以转换输出±20000个数字量有STOR选通控制的BCD码输出与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高相当于14位A/D转换价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关每个转换周期均有:自校准调零正向积分被测模拟电压积分反向积分基准电压积分和过零检测四个阶段组成其中自校准时间为10001个脉冲正向积分时间为10000个脉冲反向积分直至电压到零为止最大不超过20001个脉冲.故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000即得到对应的模拟量.图1给出了ICL7135时序由图可见当BUSY变高时开始正向积分反向积分到零时BUSY变低所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止.其引脚图如2-4所示图2-4ICL引脚图V+V-为电源输入端,典型值为-5,+5V;REF为参考电压输入端,若参考电压为1V,转换结果=10000×VIN/VREF;AC为模拟公共端,接地;INTOUT为积分输出端,典型外接积分电容;AZ为自校零端;BUFOUT为缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻;RC1为外接参考电容+,典型值1uf;RC2为外接参考电容-,典型值1uf;INPUTHI为模拟输入正;INPUTLO为模拟输入负;D1至D5为个、
十、百、千、万选通;B8B4B2B1为BCD码输出,对应8421码;UR为欠量程信号输出端当输入信号小于量程范围的9%时该端输出高电平;OR为过量程信号输出端当输入信号超过计数范围20001时该端输出高电平;STOR为数据输出选通信号负脉冲宽度为时钟脉冲宽度的一半每次A/D转换结束时该端输出5个负脉冲分别选通由高到低的BCD码数据5位该端用于将转换结果打到并行I/O接口;R/H为自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲才能启动下一次转换;GND为数字地;POL为极性判断端高电平表示极性为正;BUSY为忙信号输出高电平有效.正向积分开始时自动变高反向积分结束时自动变低;CLK为时钟输入端,典型值=125kHz对50Hz工频干扰有较大抑制能力此时转换速度为3次/s.b.测温电路组成1信号调理电路图2-5信号调理电路如图2-4所示,AD590采集的信号是微弱的电流信号,需要经过一个电压并联负反馈电路进行放大,转化为上的输出电压,放大增益为由于反馈系数由于,所以此放大电路相当于电流控制的电压源因此无论负载如何变化,只要输入电流不变,则不变因为AD590的额定输出是
298.3,ICL7135的输入是0到2V,所以应该采取放大倍数为10K,取由下式得由运算放大器2组成减法器电路,输出与
2.98V做差,这样,当温度为70时,输出电压就为
0.70V,其中
2.98V电源可由一个高精度的电位器来实现将此模拟信号于ICL7135的模拟输入端相连,经过温度转换程序,即可求得此时的温度值2ICL7135与单片机接口电路图2-6ICL7135与单片机接口R/H接高电平,ICL7135工作在自动转换模式,即每转换完,自动进行下一次转换BUSY由低电平变为高电平时,开始A/D转换;当BUSY变为低电平时,A/D转换结束所以,才用INT1下降沿触发的方式向单片机申请中断,从P1口读取数据,P1口的低4位为BCD码P1口的高四位的组态决定了低四位BCD码代表个、
十、百、千位的情况例如P1=01000101,则代表读取的数字是500连续从P1口读取5个数据,然后根据个、
十、百、千的情况,重新组织数据,把5个数据相加,即得本次A/D转换的数字量,根据装换关系,即可得此时的温度值ICL7137属双积分型并具有四位半精度相当于14位二进制数可以转换-19999至19999个数字量大大提高了转换的精度并且抗干扰能力强用具有高稳定性的基准电阻作对比抑制了整个系统的温漂和时漂
2.
3.2数码管显示电路对于数码显示(LED)用串行输出口用串入并出移位寄存器74LS164作为静态显示的LED输出接口,对于基本显示即够用,可以用数码显示用数码显示时,使STC89C52的串行口工作于方式0(即移位寄存方式)用4片串入并出移位寄存器74LS164作为4位温度静态显示器的输出口,欲显示的8位段码即字型码通过软件译码产生,并由RXD串行口发送出去,既充分利用了单片机的硬件资源,在设计中充分利用单片机本身四个I/O接口而不另扩展接线图如图2-7所示图2-7数码管显示电路
2.
3.3控制输出电路该系统运行一开始,用户由键盘将温度给定值输入给RAM指定单元,或者从ROM指定单元送给RAM指定单元然后检测A/D转换值,再通过转换与计算,求得温度值,随即由数码管显示并作专家PID算法的调节、控制当温度偏离给定的某个数值时,除自动作相应调节处理外,还要发出声光报警加热采用电加热器,制冷使用制冷压缩机加热器采用双向可控硅过零触发方式,使器件运行可靠,同时省去了D/A变换器件,简化了触发电路为了达到过零触发的目的,该系统设计了交流电全波过零检测电路交流电路过零时向单片机STC89C52发出中断申请1过零检测电路图2-8过零检测电路如图2-8所示,通过变压器降压控制光电耦合器通断当电压过零时光耦截止三级管基极高电平三极管导通输出引脚低电平R1与R
2、R3是限流电阻,仿真效果如图2-9所示图2-9过零检测电路仿真2过零触发电路图2-10过零触发电路如图2-10所示,MOC3061为光电耦合双向可控硅驱动器也属于光电耦合器的一种用来驱动双向可控硅并且起到隔离的作用R2为触发限流电阻R3为BCR门极电阻防止误触发提高抗干扰能力当单片机80C51的P
1.3引脚输出负脉冲信号时Q1导通MOC3061导通触发双向可控硅导通接通交流负载另外若双向可控硅接感性交流负载时由于电源电压超前负载电流一个相位角因此当负载电流为零时电源电压为反向电压加上感性负载自感电动势el作用使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压虽然双向可控硅反向导通但容易击穿故必须使双向可控硅能承受这种反向电压一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路实现双向可控硅过电压保护图2-10中的C
1、R4为RC阻容吸收电路3声光报警电路图2-11声光报警电路本系统采用声光报警达到提醒温度是否过限声光报警电路包含有一个蜂鸣器和一个发光二极管由于单片机上电后P1口为高电平,且蜂鸣器的另一端连接为VCC,故直接连接蜂鸣器时,上电后蜂鸣器不响在发光二极管电路中加入电阻起到限流作用,防止通过的电流过大,烧毁发光二极管声光报警电路设计图见图2-
112.
3.4晶振电路的设计单片机系统里都有晶振,在单片机系统里晶振作用非常大,全程叫晶体振荡器,其结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片机运行速度就越快,单片机接到的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步晶振电路如图2-12图2-12晶振电路的设计
2.
3.5复位电路的设计单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并在这个状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第一个单元取指令无论是在单片机刚开始接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位,所以我们必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态单片机复位的条件是必须使RST引脚加上持续两个机器周期(24个振荡周期)的高电平例如,若时钟频率为12MHz,每机器周期为1μs,则只需2μs以上时间的高电平,在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位本设计中采用的复位电路,该电路是采用上电和按键都有效地复位电路,此电路能实现开机和单片机在运行时的复位,开机复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作,开机瞬间单片机的RESET引脚获得高电平,随着电容的充电RESET的高电平将逐渐下降,RESET引脚的高电平只要能保持足够的时间,单片机就可以进行复位操作除上电复位外,若要在单片机运行期间实现复位,只需按图中的RESET键实现手动复位复位电路如图2-13所示:图2-13复位电路的设计
2.
3.6分频电路的设计本设计中ICL7135的时钟端需要接125KHz的时钟信号,再不用外加信号源的情况下,需要对单片机ALE端进行分频单片机接12M晶振,ALE端对单片机进行12分频,所以ALE端会产生1MHz的时钟信号,此信号不能直接使用,需要进行8分频如图2-14所示,采用3个74LS74D触发器组成的8分频电路图2-14八分频电路仿真效果如图2-15所示图2-15八分频电路仿真3系统软件设计
3.1算法的选择
3.
1.1专家控制系统简介在专家控制系统中,控制器由专家控制器和其他常规控制器两部分构成,各种高层决策的控制知识和经验被用来间接地控制生产过程或调节受控对象,专家控制器的作用是监控系统的控制过程,动态调整其他控制器的结构或控制的参数,然后由其他控制器完成对受控对象的直接控制作用间接型专家控制系统包括两个回路,一回路为反馈回路,执行数据采集和反馈控制,包括过程及分析算法,例如信号处理、数字控制;另一回路是实时专家控制系统,包括对多种算法进行组织和调整的决策知识专家控制系统的基本结构如图3-1图3-1专家控制系统控制框图
3.
1.2PID控制原理用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统,不仅可以用软件实现PID控制算法,而且可以利用计算机的逻辑功能,使PID控制更加灵活数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器工业生产中,PID控制是最先发展起来的,应用领域至今仍然广泛其优点是算法简单,鲁棒性强,可靠性高,动态和静态特性良好PID控制器是线性控制器,它根据给定值Xt与实际输出值Yt构成控制偏差(3-1)PID的控制规律为(3-2)或写成传递函数的形式(3-3)式中Kp——比例系数;TI——积分时间常数;TD——微分时间常数PID控制器各校正环节的作用如下
(1)比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号et,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差
(2)积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大,积分作用越弱,反之则越强
(3)微分环节反应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间单片机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量因此,连续PID控制算法不能直接使用,PID控制规律的实现,需要采用离散化方法在数字系统中,当采样周期相当短时,用求和代替积分,用差商代替微商,使PID算法离散化,将描述连续时间PID算法的微分方程变为描述离散——时间PID算法的差分方程数字PID算法一般分为位置式和增量式两种形式当执行机构需要的是控制量的增量时,应采用增量式PID控制常规PID控制是将偏差的过去、现在和未来的信息都进行了综合考虑其常规增量式PID控制器离散形式为uk=uk-1+kp[ek-ek-1]+kiek+kd[ek-2ek-1+ek-2](3-4)式中kp,ki,kd分别为比例、积分和微分系数当偏差一旦产生,控制器立即产生正比于偏差大小的控制作用,使被调量朝误差减小方向变化,这就是比例作用其大小通过比例系数kp调整,kp大时响应速度快,稳态误差小,但易产生较大的超调或产生不稳定现象,而kp过小会使响应速度缓慢,调节时间加长,调节精度降低积分作用则是一种对误差进行累计的记忆积分作用有利于用来消除静差,提高控制精度,改善系统的静态特性;但积分作用如果太强,会引起较大超调或振荡,且在实际当中会经常碰到积分饱和现象积分作用的大小可由ki调整微分作用主要是用来产生超前的控制作用,减小超调量和调整时间,使系统快速趋向稳定,改善系统的动态特性微分作用的大小可由kd调整通过适当调整配合kp,ki,kd这3个参数,可以使系统快速、平稳、准确,获得满意控制效果式(3-4)中,ek表示离散化的当前采样时刻的误差值,ek-
1、ek-2分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值
3.
1.3专家PID控制原理专家PID控制方法实际上是根据设定的参数值判断被控对象的当前情况,再由专家经验来整定PID参数算法中用于判断的参数值设定通常是根据经验,没有方法指导,一旦设定的不合理,控制结果就不会收敛于期望值令ek表示离散化的当前采样时刻的误差值,ek-
1、ek-2分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值,则有Δek=ek-ek-1(3-6)Δek-1=ek-1-ek-2(3-7)根据误差及其变化,可设计专家PID控制器,该控制器可以分为下述情况设计
(1)当|ek|M1时,说明误差的绝对值已经很大无论误差变化趋势如何,都应考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出,以达到迅速调整误差,使误差绝对值以最大的速度减小此时,系统相当于实施开环控制
(2)当ekΔek≥0时,说明误差在朝绝对值增大的方向变化,或误差为某一常值,未发生变化
①如果|ek|≥M2,说明误差也较大,可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差的绝对值,控制器输出可为uk=uk-1+k1{kp[ek-ek-1]+kiek+kd[ek-2ek-1+ek-2]}(3-8)
②如果|ek|M2,则说明尽管误差朝绝对值增大方向变化,但误差绝对值本身并不很大,可考虑控制器实施一般的控制作用,只要扭转误差的变化趋势,使其朝误差绝对值减小方向变化,控制器输出为uk=uk-1+kp[ek-ek-1]+kiek+kd[ek-2ek-1+ek-2](3-9)
(3)当ekΔek0ΔekΔek-10或者ek=0时,说明误差在朝绝对值减小的方向变化,或者已经达到平衡状态,此时,可考虑采取保持控制器输出不变
(4)当ekΔek0ΔekΔek-10时,说明误差处于极值状态如果此时误差的绝对值较大,即|ek|≥M2,可考虑实施较强的控制作用uk=uk-1+k1kpemk(3-10)如果此时误差的绝对值较小,即|ek|M2,可考虑实施较弱的控制作用uk=uk-1+k2kpemk(3-11)
(5)当|ek|≤ε时,说明误差的绝对值很小,此时加入积分,减少稳态误差式中emk——误差e的第k个极值;uk——第k次控制器的输出;uk-1——第k-1次控制器的输出;k1——增益放大系数,k11;k2——抑制系数,0k21;M1,M2——为根据专家经验设定的误差界限,M1M2;k——控制周期的序号(自然数);ε——根据专家经验设定的小的正实数;当系统采用上述控制策略后,系统响应速度加快,同时又可以保证较高的控制精度综上所述,系统调节器控制规律实际相当于变结构PID控制器,根据误差及误差变化情况选择不同的控制规律,以便使系统迅速达到给定温度值
3.2专家PID控制系统的软件实现
3.
2.1专家PID控制系统的主程序框图图3-2专家PID控制系统主程序系统框图软件系统的主体程序流程图如图3-2主程序顺序执行
①初始化、开中断主要包括设定堆栈指针从RAM中读取初始PID参数;定义定时/计数器工作方式;开中断及设中断优先等级;
②由键盘输入指定温度;
③数据采集及进行PID计算;
④重复;
⑤进行巡回检测调节
3.
2.2数据采集及处理程序信号处理电路的输出是电压,电压经A/D转换成数字量,再经相应的函数关系折算成相对应的温度值用于显示采集程序主要实现A/D转换、数字滤波和数据处理系统框图如图3-3所示图3-3温度采集程序
(1)A/D转换从传感器前置放大电路输出的信号,就送入到A/D转换输入端口,由单片机去进行各种必需的处理首先是进行软件非线性校正,把输入信号按照不同的温度值划分为不同段,再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数,令其与理论值尽量接近,经过非线性校正的数字,才被送去进行显示,比较用户设定的控制值等等
(2)数据滤波系统工作现场可能具有直流电动机、交流接触器、静电消除器、晶闸管整流电源和各种继电器在运行,它们产生多种脉冲干扰尖脉冲对单片机的干扰是难以避免的事为了克服以尖脉冲为主的干扰信号,需要通过防脉冲干扰平均值法的数字滤波计算程序进一步削弱或滤除其方法是连续4次数据采样,去掉一个最大值和一个最小值,计算中间两个数据的平均值方法的实质,先用中值滤波原理除去尖脉冲干扰引起误差的采样数据,然后把剩下的采样数据进行算术平均因此,此法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点3数据处理数据处理程序主要是将采集的数据进行数字滤波、数制的转换、浮点数的加、减、乘、除运算数制的转换包括BCD码转换成BCD码浮点数,BCD码浮点数和二进制浮点数之间的相互转换
3.
2.3专家PID算法程序设计中使用C语言,用一系列语句来描述控制规则由于控制规则中包含了像ek,Δek这样的乘法计算,比较占用芯片资源,所以在整个专家PID控制器的偏差输入部分把ek取绝对值,这样可以简化程序,大量节省资源,例如控制规则中判断语句ek,Δek0,便可简化为Δek0PID子程序框图如图3-4图3-4专家PID处理子程序框图结论本设计采用STC89C51单片机为核心,设计专家PID恒温槽控制系统,该系统是根据环境温度的变化,采用专家PID算法进行控制,由数据检测、输出控制和显示报警等部分组成数据检测中才用AD590温度传感器进行测温,输出控制中制冷电机上电运行,采用PID算法控制双向可控硅导通角来实现恒温控制,显示部分采用串口控制,这样可以节约单片机接口资源设计只对部分单元进行了Multisim仿真,但是没有对整个系统进行试验从这次的毕业设计中,我真真正正的意识到,在以后的学习中,要理论联系实际,把我们所学的理论知识用到实际当中,学习单片机更是如此,编写程序的能力只有在经常的写与读的过程中才能提高参考文献
[1]兰州理工大学徐维涛郝晓弘OCXO恒温槽温度控制系统控制方法研究中文核心期刊《微计算机信息》测控自动化2006年第22卷第3-1期
[2]陈庆控制的恒温槽空间电子技术1994年第2期
[3]魏红昀1,邓忠华1,魏晴昀2PID专家控制器在温控系统中的应用兵工自动化测控技术2004年第23卷第4期
[4]石雄1恒温槽高精度恒温自动控制系统的设计与实现工业仪表与自动化装置2005年第1期
[5]尹波黄桂萍曹利民屈红恩恒温槽调节与温度控制实验条件的探讨江西化工2008年第2期
[6]王群基于专家系统模糊PID的研究控制工程2010年5月第17卷增刊
[7]赵贵魏巍陈虎卜小平张龙赵云三种PID的控制性能比较中国科技信息2008年第20期CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONOct.2008
[8]顾敏明潘海鹏湿度专家控制系统的设计与实现工业仪表与自动化装置2007年第4期
[9]江磊陈新楚新型专家系统PID控制器的设计江苏电器2006No.4
[10]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].第二版.北京:清华大学出版社20042:49—
62.
[11]李华.MCS—51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社19933:51—
64.
[12]刘建文徐仲玉马红梅吕霞周翾一种新的高精度低温恒温槽的研制实验室研究与探索第28卷第4期2009年4月
[13]工程兵工程学院张文龙用于数字系统的恒温槽及其温度控制www.//cnki.net
[14]王启志王永初智能PID控制器研究的现状与进展PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.23No.12Dec.2002
[15]张弘专家-模糊自适应PID控制系统的设计西安邮电大学学报2009年1月第14卷第1期致谢毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核,也是对我们进行科学研究基本功的训练,培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力,为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础本次设计能够顺利完成,首先我要感谢我的母校——河北科技师范学院,是她为我们提供了学习知识的土壤,使我们在这里茁壮成长;其次我要感谢电气工程及其自动化专业的老师们,他们不仅教会我们专业方面的知识,而且教会我们做人做事的道理;尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的刘士光老师,每有问题,老师总是耐心的解答,使我能够充满热情的投入到毕业设计中去;最后还要感谢相关资料的编著者,感谢您们为我们提供一个良好的环境,使本次设计圆满完成附录附录一恒温槽专家PID控制系统总原理图附录二:程序代码#includereg
52.h#includeAT
892051.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintintkpkikde0e1e2ru;//PID参数ucharout;//输出intpara
[8]ptr;//参数ucharcodetab[]={0xfc0x600xda0xf20x660xb60xbe0xe00xff0xf6};//0-9共阳段码sbitDAT=P3^0;//模拟串口数据发送端sbitCLK=P3^1;//模拟时钟控制端sbitST=P3^6;sbitEOC=P1^0;sbitOE=P3^7;sbitPWM=P1^3;ucharresult;/*sendbyte显示一位数码管*/voidsendbyteucharbyte{ucharnumc;num=tab[byte];forc=0;c8;c++{CLK=0;DAT=num0x01;CLK=1;num=1;}}/*延时50ms*/voiddelay_50msunsignedintt{unsignedintj;for;t0;t--{forj=6425;j0;j--{;}}}/*延时函数303us*/voiddelayuinta{uintb;for;a0;a--forb=150;b0;b--;}/*数码管显示程序*/voiddisplay{unsignedcharh;while1{forh=0;h10;h++{delay_50ms1;sendbyteh;delay_50ms4;}h=0;}}voidBCDunsignedbcd{intdec;dec=bcd15+bcd4*10;}/*模数转换子程序*/voidADC_7135interrupt1{intabcd;geshibaiqians;P1=0xff;ifSTOR==0{a=P1;delay1;b=P1;delay1;c=P1;delay1;d=P1;}qian=a0x0f;bai=b0x0f;shi=c0x0f;ge=d0x0f;ge=BCDge;shi=BCDshi;bai=BCDbai;qian=BCDqian;s=ge+shi*10+bai*100+qian*1000;/*专家PID子程序*/voidPID{r=para
[1];e2=e1;e1=e0;e0=r-para
[0];kp=para
[2];ki=para
[3];kd=para
[4];u=r+2*ki*e0+kp*e0-e0-1+kd*e0-2*e1+e2;ifu0u=0;ifu255u=255;para
[7]=u;out=ucharpara
[7];}/*PWM波输出*/voidINT_1voidinterrupt1PWM{whileout!=0{out--;}PWM=1;delay1;PWM=0;}/*数据处理程序*/voidtimer1interrupt2{uintabctawendu;TH1=0x4c;TL1=0x00;ta=ta+1;adc_7135;ifta39{ta=0;abc=sum/40;para
[6]=abc;wendu=abc-51*300/204;para
[0]=wendu;PID;sum=0;}display;}/*主程序*/voidmainvoid{inti;SCON=0X50;TMOD=0X11;T2CON=0X34;IE=0X9A;EA=1;EX0=1;IT0=1;TH1=0X4C;TL1=0X00;TR1=1;//50msTH0=0xE3;TL0=0X33;TR0=1;//8msfor;;{ifkeyx0//有按键按下{key=keyx;whilekeyx!=0{keyx=0;time2500;}keyproc;time4000;}display;}}致谢时间飞逝,大学的学习生活很快就要过去,在这四年的学习生活中,收获了很多,而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的首先非常感谢学校开设这个课题,为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验,奠定了基础本次毕业设计大概持续了半年,现在终于到结尾了本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验经过这次毕业设计,我的能力有了很大的提高,比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步这期间凝聚了很多人的心血,在此我表示由衷的感谢没有他们的帮助,我将无法顺利完成这次设计首先,我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导,在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导,为我理清了设计思路和操作方法,并对我所做的课题提出了有效的改进方案郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象从他身上,我学到了许多能受益终生的东西再次对周巍老师表示衷心的感谢其次,我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求,感谢他们对我学习上和生活上的帮助,使我了解了许多专业知识和为人的道理,能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量另外,我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持,与他们一起学习、生活,让我在大学期间生活的很充实,给我留下了很多难忘的回忆最后,我要感谢我的父母对我的关系和理解,如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持,我将无法顺利完成今天的学业致谢四年的大学生活就快走入尾声,我们的校园生活就要划上句号,心中是无尽的难舍与眷恋从这里走出,对我的人生来说,将是踏上一个新的征程,要把所学的知识应用到实际工作中去回首四年,取得了些许成绩,生活中有快乐也有艰辛感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲,对我成长的关心和爱护学友情深,情同兄妹四年的风风雨雨,我们一同走过,充满着关爱,给我留下了值得珍藏的最美好的记忆在我的十几年求学历程里,离不开父母的鼓励和支持,是他们辛勤的劳作,无私的付出,为我创造良好的学习条件,我才能顺利完成完成学业,感激他们一直以来对我的抚养与培育最后,我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励,给了我很多解决问题的思路,在此表示衷心的感激老师们认真负责的工作态度,严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅他无论在理论上还是在实践中,都给与我很大的帮助,使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助,感谢他耐心的辅导在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助,帮助解决了不少的难点,使得论文能够及时完成,这里一并表示真诚的感谢HebeiNormalUniversityofScienceTechnology专业电气工程及其自动化学号9310080213。