PID温度自动控制设计PPT.ppt
,PID调节温度自动控制的设计,论文的结构和主要内容,第一章 电阻炉温度控制系统总体设计 第二章 系统硬件设计 第三章 系统软件设计 第四章 全文总结,温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。本设计的控制对象为一箱型电阻炉，输入为加在电阻丝两断的电压，输出为电加热炉内的温度。控温范围：室温500，控制精度：±1。 系统是一个由C8051F060单片机控制的电阻炉温度闭环控制系统。其目的在于对电阻炉的温度进行精确控制，从而得到需要的温度。 为了达到较为理想的结果，本设计采用的设计思路是：首先利用热电偶对电阻炉的温度进行采集，通过数字滤波，并将此检测值与给定值比较，然后将其差值进行PID控制运算，其控制输出量通过C51引脚和放大电路，使其输入的高电平（固态继电器的接通时间是通过触发脉冲加以控制的）直接去控制可控硅接通时间来对电阻炉进行控制，以达到接近设定温度值。,第一章 电阻炉温度控制系统总体设计,第二章 系统硬件设计,右图 C8051F060单片机,系统硬件的设计,A/D转换器 （1）多路模拟开关切换电路 因为C8051F060只有2路高速A/D转换器，而实际上有4路模拟量需要采集，故需要一个多路模拟切换开关。NLAS4684是两路单刀双执CMOS模拟切换开关，具有很低的导通电阻。当ADO_CON、ADlCON为高电平时，运放的输出OUT2进入ADO进行A/D转换，运放的输出OUT4进入ADl进行A/D转换；当ADO_CON、ADlCON为低电平时，运放的输出OUTl进入ADO进行A/D转换，运放的输出OUT3进入AD1进行A/D转换，如图所示。 （2）模拟运算放大电路,系统硬件的设计,从热电偶输出的热电势信号最多不过几十毫伏(一般为0到56 mV)，信号需经运放放大；且其中包含工频、静电和磁耦合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。测量放大器的输入阻抗高，易与各种信号源匹配，并且输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，温漂也较小，因而其稳定性好。总共有4路模拟运算放大电路。右图为其中一路模拟运算放大电路。,系统硬件的设计,2.2 热电偶 2.2.1 热电偶的工作原理 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它具有结构简单，使用方便，准确度高，热惯性小，稳定性和复现性好，温度测量范围宽，适用于信号的远传自动记录和集中控制的优点，在温度测量中占有重要的地位。此外，通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场。 热电偶的测温原理的以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A/ B组成一闭合回路，只要其连接点1、2温度不同，在回路就产生热电动势，这种现象称为热效应，我们就是利用热电偶的热效应来测量温度的。从物理上看，热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的。当两种不同导体A，B接触是时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界上边产生电子的互相扩散。在开始接触的瞬间若导体中自由电子密度大于导体中自由电子密度，则导体向导体扩散的电子数将比导体向导体扩散的电子数多，因而使导体失去较多的电子而带正电荷，导体得到较多的电子而带负电荷，致使在导体、接触外产生电场，以阻碍电子在导体中的进一步积累，最后达到平衡。平衡时，在、两个导体间的电位差称为接触电动势。其值决定于两个导体的材料种类和接触点的温度。,系统硬件的设计,K型热电偶分度表,系统硬件的设计,如果回路中各接点温度相同，即，则回路总电势必为零。由此可见，在热电偶回路中接入第三种导体的两个接点温度相等，回路中总电势值不变。 但是，如果导体B、C和导体A、A接点处温度不同时，回路中总电势会发生变化。所以，在使用热电偶测温时，冷端温度应该使之相等。一般热电偶很短(几百mm几千mm)，热电偶冷端温度会随设备和环境温度不断变化。为了保证测量精度，必须采取措施，使热电偶冷端温度保持恒定，可以把热电偶做得很长，使冷端远离被测物体，并连同测量仪表一起放到恒温或温度波动较小的仪表控制室。但是，这种方法是不经济的，因为从现场到仪表室一般较远，这将要耗费许多贵重的热电板材料。所以一般要冷端补偿。,热电偶回路中，当接触1、2的温度不同时，则产生两个不同的接触电动势eAB(t)和eAB(0)。这时回路中的总电势:E（t,t0)=eAB(t)-eAB(t0) 式中：e下标字母表示电势的方向。 在实际使用热电偶时，在热电偶回路中总要接入测量仪表及导线，如图所示：1为热电偶ABC；2为测量仪表；3为连接热电偶和测量仪表的导线。 热电偶是由两种不同导线或半导体材料焊接而成。焊接的一端称为热端（或工作端）与导线连接的一端称为冷端。热端插入需要测量的设备之中，冷端置于设备之外。,系统硬件的设计,系统硬件的设计,2.3 DDZ-型温度变送器 本次采用的是DDZ型温度变送器，它的工作原理如下： 直流信号通过输入引线输送到仪表，此电压信号与零点调整桥路上的一臂上电势相叠加后输入到主放大器同相端，经过放大器放大后成为电流信号叠加后输入到主放大器同相端，经过放大器放大后成为420mA电流信号，流入输出电流互感器初级，直流信号被10Kz频率的方波调制后耦合到互感器初级，再被整流滤波成为420mA DC信号输出。此输出电流经过250欧姆电阻成为15 V DC的电压信号输出。直流毫伏变送器电源为24V DC集中供电，实现了二线制接线方式。输入电压为010 mV DC，其具有安全防爆等级是(H)e型，可用于易燃易爆场合。,第三章 系统软件的设计,3.1何谓PID？ PID是比例积分微分的意思。P表示按偏差进行比例放大得到一个输出，这个无法消除余差，因此再加上积分，积分是按偏差累积的，只要有偏差就有大于（或小于）0的积分值（就是不会为0）。仅仅这样还不够，因为偏差变化有快慢之分，因此要用微分，微分就是计算偏差变化的速率。同时使用者三种控制规律来控制被控变量就是PID控制。它并不表示某一个控制规律,而是同时使用三种控制规律的综合 3.2何谓PID算法？ 在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象,系统软件的设计,3.2.2 数字PID控制算法 PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟PID控制器是通过硬件（电子元件，气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作PID控制器，所形成的一整套算法则称为数字PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。 数字PID控制算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。增量式控制算法相较于位置式来说有许多优点，因此采用增量式PID算法来实现。 所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量 。以T作为采样周期，K作为采样序号，则离散采样时间t,用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，在此，先对采样周期的几点要求有必要在此说明： 采样一数据控制系统中，设采样周期为T，采样速率为1/T。采样周期T是设计者要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周期的选择有密切关系。,系统软件的设计,系统软件的设计,3.2.4 PID参数的整定和求取，由于电阻炉一般都属于一阶对象，为了求出几个系数，我们用到扩充响应曲线整定PID参数。 PID控制器的参数自整定原理是基于被控对象的继电特性，启动整定程序时，系统将切断PID控制器，在闭环中接入带滞环的继电特性，系统将产生受控振荡。 （1）控制度的选择 控制度就是以模拟控制器为基准，将DDC的控制效果与模拟控制器的效果相比较。控制效果的评价函数通常采用（误差平方积分）表示。 （2）扩充响应曲线法,用扩充响应曲线法整定T.Kp.Ti.Td的步骤如下： 1.数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后改变给定值，给对象一个阶跃信号。 2.用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线。 3.在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数T0以及它们的比值T0/，查表3-2，即可得到数字控制器的Kp.Ti.Td及采样周期T。,系统软件的设计,（3）阶跃响应曲线的测定 ，根据一阶对象的响应特性有：一般幅值的阶跃信号输入时，输出稳态值除以输入幅值即为放大倍数K，输出从起始值到达0.632稳态值的时间即为时间常数T。 （4）参数的求取 对于一阶对象的放大倍数K可由输出稳态值和输入阶跃信号幅值的比值求得。输出从起始值到达0.632倍稳态值的时间即为对象时间常数。而对象滞后时间可直接从图中测量。 根据飞升曲线可得出电阻炉的参数。 根据控制度为1.05，控制规律为PID以及、T0查表3-2则可以求出PID参数Kp、Ki、Kd、T。经查表3-2得：KP=43;KI=80;KD=18;T=2s.,系统软件的设计,需要说明的是，T1中断嵌套在T0中断之内，而T1的初值是由PID计算决定的，所以PID的最大输出必须小于250，既保证在T0再次溢出中断之前，T1中断服务结束，并以T0中断返回到主程序，否则程序不能正常运行。上述中的T0定时器产生每5秒一次中断是指的外部中断，即由于系统所使用的是220V交流电压，其为50HZ，时钟周期为0.02S，而本设计对T0的最大值为250，所以采样周期即为5S,这样就无需对采样周期值进行标幺值来添加系统的复杂度。右图是PID控制算法程序流程图,系统软件的设计,系统软件的设计,声光报警电路 声光报警主要作用就是为了给用户以提示作用，在系统没有工作在要求下，起到报警作用，当红色灯亮表示恒温箱温度超过850摄氏度，此时单片机发出指令驱动风扇进行散热，一直到温度恢复正常为止，当绿灯亮表示恒温箱温度低于800摄氏度，这时将功率调节到最大，进行加热。,系统软件的设计,温度显示电路,功率调节电路 实现可控硅调功控温需解决3个技术关键：获取工频交流电源的过零触发脉冲，作为触发可控硅的同步脉冲；将控制算法得到的控制量变为可控硅在周期内的导通时间；隔离工频交流电源强电对单片机系统和控制电路弱电的干扰。在这里我们软件与硬件结合自主设计一种功率调解电路,系统软件的设计,系统软件的设计,电源电路 直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电压源。,系统软件的设计,显示电路,系统软件的设计,温度控制系统控制回路部分电路,第四章 全文总结,4.1对系统设计的认识 本系统主要实现对温度的采集，以及当温度发生变化后，系统有自动调节温度的能力。该系统采用了一块功能比较强大的C8051F060单片机模块，无需在外接一些外围电路，如其自身带有A/D转换功能，使整个系统使用起来简单，方便。更有特点的是在设计采样周期时采用外部中断，采样周期为5秒。单片机自身时钟周期为0.02秒，定时周期为250次，这样就无需添加外部中断和扩展来完成采样。而且本系统主要采用软件来实现对温度的控制，因此，对外围电路的要求相对就不是很高。 由于采用软件实现对温度的控制，自身知识体系欠缺和实验所需设备不完善，无法达到预期的结果。同时，在本次毕业设计中深深认识到自己的各个方面的不足之处，本着提高动手能力以及检测四年所学知识的目的，我严格要求自己，每一环节都认真对待，定期向知道老师报告进展情况和请教不懂的地方，得以完成任务。,全文总结,4.2对自身的认识 毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的温度控制系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种软件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉,全文总结,从不知道毕业论文怎么写，到顺利如期的完成本次毕业设计，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，这些我在毕业论文结束语中都提起过。事实上，PID调节温度自动控制系统，我采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性但也存在一定的不足，这新不足在一定程度上限制了我们的创造力。这无疑是很让我自身感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。,结束,谢谢大家！,
