智能水溫控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 畢業論文 共 63 頁 第頁 17 ※在 35~95℃范圍內選取若干個測試點用仿真器向 ADC08004 口地址（ FE00H）寫任意數以啟動 A/D轉換。 ※讀出 ，低電平說明轉換完畢。 ※從 ADC0804 口地址（ FE00H）讀轉換結果，與 預測值比較。 ※結果不正確，須檢查 ADC0804與 8031的連接是否正確，還要檢查 Adc0804參考電壓是否是 +5V。 ※在 35~95℃范圍內逐點測試結果作輸出電壓 ~轉換數據關系表，檢查它們之間的對應關系。 后向通道調試 （ a）靜態調試 用仿真器在 ，雙向可控硅導通，電爐開始加熱；在 出高電平，雙向可控硅截止，電爐停止加熱。如果輸出不正常，應按信號輸出順序分別檢查 、光電耦合器輸入端、光電耦合器輸出端及雙向可控硅兩端的電壓情況。 （ b）動態調試 編寫簡短調試程序，在 ，用示波器觀察電爐兩端電壓輸入波形和通斷比 例。改變輸出波形占空比，電爐兩端電壓輸入的通斷比也應有相應改變。 5 軟件開發 /輸出關系，建立數學模型，尋找合適算法 畢業論文 共 63 頁 第頁 18 PID 控制是應用最普遍的控制規律，技術上最成熟，工程技術人員也習慣采用。它不需要對象的數學模型，控制的效果也好。它不適用于簡單的控制系統，也適用于復雜的控制系統。在直接數字控制（ DDC）系統中，除了標準的 PID 算法外，還有各種不同的改進算法。本系統由于采用了單片微型計算機，各種 PID算法的實現只需更改應用程序而無需對系統硬件作任何改變，因此系統對很多工業生產過程都適用，可得到十 分廣泛的應用。 PID 控制的一般算式 模擬控制系統的 PID 控制規律表達式為 u(t)=KC[e(t)+1/T1∫t 0e(t)+TDde(t)/dt] 式中， u(t)為控制器的輸出； e(t)為偏差，即設定植與反饋值之差； KC為控制器的放大系數，即比例增益； T1為控制器的積分時間常數； TD為控制器的微分時間常數。 增量型 PID 控制算式 由于上式中第二項計算機復雜，占用內存又較大，應用不太方便，如果用增量型 PID 控制算式則可以避免煩 瑣計算，是比較適宜的。即 △ u(k)=u(k)u(k1) =kc[e(k)e(k1)]+k1e(k)+kD[e(k)2e(k1)+e(k2)] =kc?e(k)+kie(k)+kDΔ 2e(k) 而 u(k)可由第推算式獲得 u(k)=u(k1)+ Δ u(k) ，編寫程序流程圖 畢業論文 共 63 頁 第頁 19 系統軟件由主程序、鍵盤輸入中斷 (INT0)服務程序、修改 PID 參數主程序、設定溫度子程序、遠行主子程序及打印子程序組成，其中運行子程序又要調用定時中斷（ T0）服務程序、水溫子 檢測程序、增量式 PID算法子程序及脈寬調制輸出子程序。 主程序 初始化調水溫檢測子程序顯示測得水溫有鍵入？輸入鍵值比較跳轉到相應子程序調設定溫度子程序 調設定 P I D 參數子程序 調控制溫度子程序 圖 521 （ a）設定可編程芯片的工作方式，對內存中的工作參數區進行初始化，顯示系統初始狀態。 （ b）作時讀取鍵值，并跳到相應功能的子程序中去。 （ c）畢返回主循環，等待下一次鍵入。 畢業論文 共 63 頁 第頁 20 盤輸入子程序 當有鍵入操作時 8279 通過 INT0 引發 803 的外部中斷 0的中斷服務程序，中斷服務程序流程圖如圖 522所示。 有鍵閉合 ?開始延時逐行處理程序段鍵值送 K EY Z返回調顯示延時YN 開始顯示 rk有鍵入？增 1 鍵？K C T = K C T + 1K C T = K C T 1 減 1 鍵？確認鍵？存儲 rk取消鍵？返回YYYYNNNN 圖 522 圖 524 修改 PID 參數子程序 PID 參數 kc,k?,kD可以依次修改，修改完的數據可以按“確認”鍵確認修改，或按“取消”鍵取消修改，程序流程如圖 523 所示。 畢業論文 共 63 頁 第頁 21 開始顯示 Kp有鍵入？增 1 鍵？減 1 鍵？確認鍵？取消鍵？顯示 Ki有鍵入？增 1 鍵？減 1 鍵？確認鍵？取消鍵？有鍵入？增 1 鍵？減 1 鍵？確認鍵？取消鍵？顯示 KdK d= K d + 1K d= K d 1存儲 Kd 存儲 KpK p= K p 1K p= K p + 1K i = K i + 1K i = K i 1存儲 Ki返回YYYYYYYYYYYYYYYNNNNNNNNNNNN NN N 圖 523 設定溫度子程序 設定溫度子程序流程與修改 PID 參數子程序類似，只是顯示參數與存放參數的地址不同。如圖 524 遠行子程序 遠行子程序將保持對水溫的檢測與控制作用，直到按下“取消”鍵，程序才退回到主程程序流程圖如圖 525所示，其中初始化包含對定時器工作方式變量初植初始化。 畢業論文 共 63 頁 第頁 22 初始化定時時間到？調用水溫檢測子程序顯示設定、實測水溫調用 P ID 算法子程序調用脈寬調制輸出子程序有鍵入？取消鍵？關輸出返回YYNN 圖 525 定時中斷服務程序 采樣定時由定時器 0 的定時操作完成，定時器 0的溢出時間受采樣周期控畢業論文 共 63 頁 第頁 23 制。由 t0 溢出引發的中斷服務程序用于設定定時標志，程序流程圖如圖 526所示。 保護現場R0增 1恢復現場返回 入口啟動 A /D 轉換轉換完成？讀取轉換結果返回NY 圖 526 圖 527 水溫檢測子程序啟動 A/D 轉換并讀取轉換結果，程序流程如圖 527 所示。 PID 算法子程序 PID 算法子程序的作用為根據給定溫度 r、實測溫度 f(k)和調節器參數kc,k1,kD計算輸出量 u(k),并將輸出量按比例轉換為雙向 可控硅的導通時間 t(k),程序流程如圖 528 所示。 畢業論文 共 63 頁 第頁 24 入口調內存中 r, f(k ),K p , K i ,K de(k 1 ),Δ e(k 1 ),u (k 1 )計算 :e (k )= rf(k )Δ e(k )= e(k )e (k 1 )Δ 2 e (k )= Δ e(k )Δ e(k 1 )Δ p (k )= K p Δ e (k )+ K ie (k )+ K d Δ 2 e (k )p (k )= p (k 1 )+ Δ p (k )保存中間變量e(k )→e (k 1 )Δ e(k )→Δ e(k 1 )p (k )→p (k 1 )計算可控硅導通時間t(k )= p (k ) θ返回 入口P 2 .1 輸出低電平設定延時時間為 T (k )延時時間到 ?P 2 .1 輸出高電平返回NY 圖 528 圖 529 寬調制輸出子程序。 脈寬調制輸出子程序按 PID 運算結果控制雙向可控硅的導通時間，程序流程如圖 529 所示。 編寫程序并翻譯成目標程序 將上述流程圖逐一細畫，并將各程序模塊聯結起來就可組成一個完整的程畢業論文 共 63 頁 第頁 25 序。程序的編寫可在 PC 機上利用 EDIT， PE， WORD， STAR 等編輯軟件完成。編寫完成的源程序可以利用 ASM51， C51， PL/M51等編程軟件進行編譯等編譯軟件進行編譯、連接、生成目 標程序機器碼。也可將源程序調入仿真器，由仿真器提供的在線編譯功能進行翻譯工作。軟件調試 ,軟件的調試應在仿真器提供的單步、斷點、跟蹤和夭折等功能的支持下對各子程序分別進行調試，將調試完的子程序連接起來再調試，逐步拓大調試范圍。調試過程一般是： 。 、斷點、或跟蹤方式運行程序。 。 ，修改程序，重復上述過程 。 聯機調試就是在樣機中全速運行系統軟件，觀察運行情況，并根據運行結果修改控制參數，或對軟 硬件方 案作必要的修改，重新調試過程，直到系統能滿足各項性能指標要求。 本例中最重要的聯機調試過程是進行 PID 參數整定。不同的控制對象和控制環境需要不同的 PID 參數，即使是同一個控制對象和控制環境，對控制品質的不同要求也需要對 PID 參數重新進行整定。 “ 最佳整定參數 ” 整定 PID 參數。 對于大多數控制系統，當遞減比為 4： 1時，過度過程只稍帶振蕩并很快穩定下來，具有適當的穩定性和快速性，習慣上把滿足這一遞減比過程的控制器參數稱為 “ 最佳整定參數 ” 。 在連續控制系統中， PID 控制器的參數整定方法較多，但簡單易行的方 法還是簡易工程整定法。一般情況下，被控對象的數學模型都難以準確獲得，簡易工畢業論文 共 63 頁 第頁 26 程法最大的優點就在于整定參數時不必依賴被控對象的數學模型，它是由經典的頻率法簡化而來的，雖然稍微粗糙一點，但簡單易行，適于現場應用。 擴充臨界比例度法 這是一種基于系統臨界振蕩參數 216。、 kc、 TI和 TD的閉環整定法，是讀模擬控制器中使用臨界比例度法的擴充，用以整定離散控制算式中的參數。整定方法介紹如下： (a)選定一個足夠小的采樣周期 216。，通常 216。 應小于對象的純延遲時間的 1/10。按前面估算可知，用 1kw 的電爐加熱一 1L 水并使水溫上升 1176。 C所需時間大于 4s，因此可取 216。= 秒。 (b)先使系統按純比例控制運行 (TI=∞ 、 TD=0)，比例增益的初值可按水溫穩定在 95 攝氏度時系統輸出使雙向可控硅連續導通的時間值來估算即： Kc=TH/255， 即逐漸加大比例增益 Kc 直到系統出現持續等幅振蕩（系統振蕩情況可用示波器觀察 A/D 轉換器模擬電壓的輸入波形獲得）。記下使系統發生振蕩的臨界比例增益 KCR及系統臨界振蕩周期 TCR.。 (c)選擇控制度。所謂控制度就是以模擬控制器為標準，將直接數字控 制系統的控制效果與模擬調節器的控制效果相比較，控制效果的評價函數通常用誤差平方面積表示 ISE=∫ ∞ 0e2(t)dt 實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度=ISEDDC/ISEANA=∫ 0∞ e2(t)dtDDC/∫ ∞ 0e2(t)dtANA僅表示 DDC 控制系統的控制品質，控制度的值越大，控制品質越差。當控制度 為 時， DDC 控制系統與 模擬控制系統效果相當：控制度為 時，則 DDC 控制效果較模擬控制系統效果差一倍。從控制品質出發，希望控制度盡可能小些。 （ d）根據選定的控 制度，按表 55所列數據計算采樣周期 216。 和 PID 調節器參數畢業論文 共 63 頁 第頁 27 KC， TI和 TD值，并由 216。， KC， TI和 TDD 計算 KI， KD的值。 表 55 擴充臨界比例度法整定 PID計算式 控制度 216。 KC TI TD TCR. TCR. KCR TCR. KCR TCR. KCR 擴充響應曲線法 與在模擬控制系統中可用響應曲線法代替臨界比例度法一樣，在 DDC 控制系統中也可以用擴充響應曲線法代替臨界比例度法，它是一種基于對象響應的調節器參數整定法。 擴充響應曲線法要預先測得廣義對象的階躍響應曲線，并以帶滯后τ和時間常數 T的一階慣性環節近似。從曲線求得 τ 和 T，然后根據 τ ， T和 T/τ 的值，查表求得 216。， KC， TI和 TD，具體步走如下： (a)使控制系統開環，并突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。例如，在脈寬輸出 占空比為 10%的情況下測量穩定時的水溫，突然改變脈寬調制輸出占空比到 20%，觀察水溫的變化情況。 (b)記錄下被控參數（即水溫）在階躍輸入下的變化過程曲線，如圖 所示。 (c)在曲線的最大斜率處作切線，求得滯后時間 τ 和被控對象時間常數 T。查表 即可得到 DDC 控制系統的 216。， KC， TI和 TD，并由 216。， KC， TI和 TD計算 KI和 KD的值。 畢業論文 共 63 頁 第頁 28 表 56 擴充響應曲線法整定參數 控制度 216。 KC TI TD T/τ T/τ