毕业设计(论文)水温自动控制系统设计.doc
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1、水温自动控制系统设计作者姓名:专业班级:电子信息科学与技术摘要温度是工业控制对象主要被控参数之一,在温度控制中,由于受到温度被控对象特性(如惯性大、滞后大、非线性等)的影响,使得控制性能难以提高,有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。为了实现高精度的水温测量和控制,本文介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS 8位单片机为核心,以PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统,其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量,并能根据设定值对温度进
2、行调节,实现控温的目的。关键词:AT89S52;温度控制;PT1000;PIDDesign of Temperature Automatic Control SystemAbstract:The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial control targets. It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object.
3、 Such as inertia, hysteresis and non-linear, etcIts temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process. Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system.In order to realize the high accuracy survey and contr
4、ol of water temperature. Systematic core is AT89S52, which is a low-power loss, high-performance 8-bit MCU of Atmel Company. The system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also includes temperature gathering, temperature contr
5、ol and temperature display, keyboard input and RS232 interfaces. The system can realize to survey the water temperature, and it can adjust the temperature according to the setting value.Keywords:AT89S52; temperature control; PT1000; PID目录论文总页数:331 引 言11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3研究方法12 系统方案12.1 水温控制系统设计
6、任务和要求12.2 水温控制系统部分22.2.1 CPU(Computer processing Unit)中央处理器22.2.2 温度控制系统算法分析33系统硬件设计73.1 总体设计框图及说明73.2 外部电路设计83.2.1 温度采集电路83.2.2 温度控制电路93.3 单片机系统电路设计112.3.1 系统框图113.3.2 A/D转换电路113.3.3 串口通讯部分电路153.3.4 键盘设置电路174.系统软件设计174.1 程序框架结构174.2 程序流程图及部分程序184.2.1 主程序模块184.2.2 系统初始化204.2.3按键程序204.2.4 A/D采样数据处理22
7、4.2.5 PID计算254.2.6 继电器控制265. AT89S52单片机简介286.系统安装调试与测试296.1 串口调试296.2 继电器测试29结 论30致 谢32第1章 引 言1.1 课题背景一些价格比较昂贵的观赏鱼,如蝴蝶鱼,银龙鱼等对于温度的要求比较苛刻。随着人们生活水平的提高,这些鱼类在我国的饲养开始兴盛,因此,对饲养环境温度进行恒温控制十分必要。现有的一些温度控制设备,如HAl68型的温度控制棒,结构比较简单,一般采取的是开关式的控制,即当测量温度低于设定温度时进行加热,其结果是饲养水域内温度不均,控温效果不理想。1.2 国内外研究现状目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精
8、度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从国内生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同国外的日本、美国、德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距。目前,我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主,它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后复杂时变温度系统控制,而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在,我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用,人们对电子产品
9、的小型化和智能化要求越来越高,作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势,在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。1.3研究方法本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程,其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89S52为CPU,温度信号由Pt1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器OP07将温度-电压信号进行放大,用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制水温,系统控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿。水温可以在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变,具有较
10、好的快速性与较小的超调。第2章 系统方案2.1 水温控制系统设计任务和要求该系统为一实验系统,系统设计任务:设计一个水温自动控制系统,控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动调整,以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求:温度设定范围为4090;环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差1;采用适当的控制方法,当设定温度突变(由40提高到60)时,减小系统的调节时间和超调量;用十进制数码管显示水的实际温度。2.2 水温控制系统部分水温控制系统是一个过程控制系统,组成框图如图1所示,由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送
11、组成。控制系统框图除了以上的组成元件以外,还要选择合适的算法以实现所要求的控制精度,以下我会对关键的元件以及电路的确定进行详细的分析。因为它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣。2.2.1 CPU(Computer processing Unit)中央处理器方案一:采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性。方案二:此方案采用89S52单片机实现,此单片机软件编程自由度大,可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据
12、转换,控制电路部分采用SSR固态继电器控制电炉丝的通断此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。将两个方案一比较便可得出一个结论,采用Atmel单片机来实现本题目,不管是从结构上,还是从工作量上都占有很大的优势,所以最后决定使用AT89S52作为该控制系统的核心。根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的水箱温度自动控制系统,总体框图如图2所示。 控制器设计总体框图温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。2.2.2 温度控制系统算法分析系统算法控制采用工
13、业上常用的位置型PID数字控制,并且结合特定的系统加以算法的改进,形成了变速积分PID积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量,而且有效地克服了积分饱和的影响,使控制精度大大提高。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究,产生了大批温度控制器,如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。常用的控制算法有以下几种: 经典的比例积分微分控制算法; 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法;根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以
14、及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的,在实时过程控制中,由于控制对象的精确数学模型难于建立,系统参数经常发生变化,运用控制理论进行综合分析要花很大代价,主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时,所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。水温控制系统的控制对象具有热储存能力大,惯性也较大的特点,水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力,因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。对于大惯性系统的过渡过程控制,一般可采用以下几种
15、控制方案:开关量控制 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态,开通或关断,因此控制过程十分简单,也容易实现;但由于输出控制量只有两种状态,使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大,因此容易引起反馈回路振荡,控制精度不高;这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。如图3所示。ty ty开关量控制 图4 比例控制比例控制(P控制) 比例控制的输出与偏差成比例关系,当负荷变化时,抗干扰能力强,过渡过程时间短,但过程终了存在余差;适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。如图4所示。比例积分控制(PI控制) 控制器的输出与偏差的
16、积分成比例,积分的作用使过渡过程结束时无余差,但降低了系统的稳定性;PI控制适用于滞后较小,负荷变化不大,被控量不允许有余差的控制系统。如图5所示。比例积分加微分控制(PID控制) 微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果;在比例基础上加入微分作用,使稳定性提高,再加上积分作用,可以消除余差;PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。如图6所示。ty ty 比例积分控制 图6 比例积分微分控制方案选择:结合本设计任务与要求,由于水温系统的传递函数事先难以精确获得,因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求;但从
17、以上对控制方法的分析来看,PID控制方法最适合本例采用:一方面,由于可以采用单片机实现控制过程,无论哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本,而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案;另一方面,采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。由图7可知PID调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为: 其中-为调节器的比例放大系数-为积分时间常数-为微分时间常数PID调节器的离散化表达式为; 其增量表达形式为: 其中T为采样周期。模拟PID控制可见温度PID调
18、节器有三个可设定参数,即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效的减小动态偏差。图8中,初始水温为26。实现思想:Ui(k)为第k次采样温度值,Ur 为设定值。e(k) 使用PD算法;e(k) 使用变速积分PID算法。温度控制曲线图控制方式:该控制系统是把输出量检测出来,经过物理量的转换,再反馈到输入端去与给定量进行比较(综合),并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制,抑制内部或外部扰动对输出量的影响,减小输出量的误差,达到控制目的。
19、自动控制框图如图9所示,在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器,它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。自动控制框图第3章 系统硬件设计3.1 总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现温度的自动测量和控制,根据系统总体方案,系统由单片机基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成,总体框图如上面图2所示。单片机系统是整个控制系统的核心,AT89S52可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间结果的RAM电路;前向通道是信息采集的通道,主要包括传感器、信号放大
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