計算機控制技術(shù)課程設(shè)計--電加熱爐溫度控制系統(tǒng)

1、<p>　　電加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型</p><p><b>　　建立及控制算法</b></p><p>　　本文以電加熱爐為控制對象.通過對電加熱爐對象特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案。而這里主要采用的設(shè)計方案是普通電加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型建立及控制算法,對電加熱爐的溫度進行控制的計算機控制系統(tǒng)，所含系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干擾多。這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實施

2、容易。對爐溫控制，采用的主要是由8051單片機組成系統(tǒng)。此外由于PID算法具有計算量小，控制器結(jié)果簡單，靜動態(tài)性能指標(biāo)好等特點，則應(yīng)用了PID控制算法。本文還建立電加熱爐數(shù)學(xué)模型。此外在論文中也介紹了史密斯預(yù)估方案，以及關(guān)于占空比，這兩個問題都有在論文中提到，其中史密斯預(yù)估方案對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大，而占空比問題也對系統(tǒng)溫度加熱時間有很大關(guān)系。出此之外，論文中還介紹了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中要運用到的主要芯片.以及這些芯片在系統(tǒng)中的各自

3、功能也都有介紹。</p><p>　　此論文重點討論了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制算法， </p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　電加熱爐；溫度控制；單片機；PID算法;</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　緒論……………

4、…………………………………………………………………………1</p><p>　　1. 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成 …………………………………………………….2</p><p>　　1.1 各個主要元件電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的功能……………………………..2</p><p>　　1.2 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理...……………………………2<

5、/p><p>　　1.3 系統(tǒng)中要用的主要芯片的簡介…………………………………………………3</p><p>　　1.3.1 8051芯片簡介………………………………………………………………3</p><p>　　1.3.2 定時計數(shù)器…………………………………………………………………5</p><p>　　1.3.3 鎖存器74LS37

6、3................................................6</p><p>　　1.3.4 光可控硅……………………………………………………………………6</p><p>　　1.3.5 8279芯片的簡介..…………………………………………………………10</p><p>　　1.3.6 A/D轉(zhuǎn)換器..………………

7、……………………………………………….12</p><p>　　1.3.7 電源電路…...………………………………………………………………13</p><p>　　1.4 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制實例……………………………………………14</p><p>　　2..電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制算法…………………………………………………15</p>

8、<p>　　2.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)……………………………………………15</p><p>　　2.2 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立………………………………………15</p><p>　　2.3 PID控制器的控制算法………………………………………………………….16</p><p>　　2.3.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能

9、的影響………………………………………. 18</p><p>　　2.3.2 PID控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點……………………………. 18 </p><p>　　2.4 電加熱爐積分分離PID控制的仿真研究…………………………………….. 20</p><p>　　3. 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析…………………………………………………… 21</

10、p><p>　　3.1 積分分離PID控制算法………………………………………………………… 21</p><p>　　3.2 占空比……………………………………………………………………………...25</p><p>　　結(jié)論………………………………………………………………………………………27</p><p>　　致謝………………………………

11、………………………………………………………28</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………29</p><p>　　附錄1…………………………………………………………………………………….30</p><p>　　附錄2……………………………………………………………………………………49</p><

12、p><b>　　緒論</b></p><p>　　電加熱爐的出現(xiàn)，給人類的生活帶來了很多方便，使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處。但是電加熱爐主要應(yīng)用還是在生產(chǎn)過程、實驗室及研究所。電加熱爐本身可由多組爐絲提供功率，用多組溫度傳感器檢測爐內(nèi)溫度，因此電加熱爐屬多區(qū)溫度系統(tǒng)?？刂评碚搹慕?jīng)典理論、現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進的控制理論，控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)、大系統(tǒng)發(fā)展到今

13、天的復(fù)雜系統(tǒng)。本文討論的電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)由上下兩組爐絲進行加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐溫。</p><p>　　本文所采用的電加熱爐溫度控制，采用的是適用于工業(yè)控制的8051單片機組成的控制系統(tǒng)。為了降低電加熱爐的成本，系統(tǒng)要求采用實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍5°C，調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%，系統(tǒng)被測參數(shù)是溫度，由單片機PID運算得出的控制量控制光控可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷，以便切斷或接通加熱電源

14、，調(diào)整電功率，從而控制電加熱爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的值上，并實時顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度的變化過程，以更好的控制電加熱爐工作。本系統(tǒng)較理想地解決了爐溫控制中平穩(wěn)性、快速性與精度之間的矛盾。</p><p>　　電加熱爐是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能，在工礦企業(yè)和日常生活中，是一種常見的設(shè)備。在社會發(fā)展的今天，電加熱爐的使用，即可以提高生產(chǎn)效益，節(jié)約能源，也減少了環(huán)境的污染，在社會經(jīng)濟發(fā)展和改善人民生活質(zhì)量等方面的優(yōu)點早已成為社

15、會的共識。</p><p>　　隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科技水平的進步，人民生活水平的提4高，將使社會帶入一個新的階段。人們對熱能的需求質(zhì)量越來越大，電加熱爐的優(yōu)越性越發(fā)的突出來，這樣就出現(xiàn)了一個問題，由于傳統(tǒng)的電加熱爐存在一定的弊端而造成能源的浪費，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率低，其主要原因是缺少有效的調(diào)節(jié)設(shè)備，導(dǎo)致的浪費。如何解決這一問題，滿足社會的需求，設(shè)計得更加科學(xué)、合理，在全國仍在探討。并且現(xiàn)代電加熱爐的控制方法由于

16、數(shù)學(xué)深奧、算法復(fù)雜、現(xiàn)場工程師難以理解和接受，因而先進控制算法的推廣受到制約，為克服以上種種困難，將來的電加熱爐以控制算法簡單，靜動態(tài)性能好的特點，有較高的實用價值和理論價值，特別是以節(jié)約能源、保護環(huán)境的方向發(fā)展。</p><p>　　1. 電加熱溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　此次設(shè)計的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，主要包括8051單片機、溫度控制檢測元件和變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤與顯示

17、器、溫度控制電路和報警電路等幾個部分。</p><p>　　1.1 各主要芯片的在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的功能。</p><p>　　首先該系統(tǒng)選用性能價格比較高的適用于工業(yè)控制MCS—51系列單片機8051作為主機，具有控制方便、簡單和靈活性等特點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。</p><p>　　其次是應(yīng)用了定時/計

18、數(shù)器。定時/計數(shù)器控制寄存器TCON的作用是控制定時器的啟、停，標(biāo)志定時器的溢出和中斷情況。</p><p>　　此外還應(yīng)用了鎖存器74LS373。74LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，縮存器中內(nèi)容可以根據(jù)設(shè)置的電平的高低對內(nèi)容進行更新和保存。</p><p>　　還有應(yīng)用到了光控可控硅。晶閘管又叫硅可控整流元件，常簡稱為可控硅不只是用5來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關(guān)以快

19、速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種額率的交流電變成另—種頻率的交流電，</p><p>　　8279芯片，它是一種可編程的鍵盤/顯示器接口芯片。它含鍵盤輸入和顯示輸出兩種功能。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器:這里采用ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器。通過一個串行三態(tài)輸出端與主處理器或其外圍的串行口通信，可與主機高速傳輸數(shù)據(jù)，可編程輸出數(shù)據(jù)長度和格式。</p>

20、<p>　　熱電偶: 常用的熱電偶有好多種，根據(jù)我們實際所需要的，在這里我采用鉑銠。這種熱電偶可在1600°C以下范圍內(nèi)長期工作，短期可測1800°C的高溫。</p><p>　　1.2 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　工作原理：熱電偶用來檢測爐溫，將電阻爐中

21、的溫度轉(zhuǎn)變成毫伏級的電壓信號，經(jīng)溫度變送器放大并轉(zhuǎn)換成電流信號。由于A/D轉(zhuǎn)換器接受的是電壓量，所以在溫度變送器的輸出端介入電阻網(wǎng)絡(luò)，把得到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換，所檢測得到的電壓信號和爐溫給定的電壓信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入到微型機中進行比較，其差值即為實際電爐和給定爐溫間的偏差。微型機構(gòu)成的數(shù)字控制器對偏差按一定的控制規(guī)律進行運算，運算結(jié)果送D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)功率放大器放大后送到晶閘管調(diào)壓器，觸發(fā)晶閘

22、管并改變其導(dǎo)通角的大小，從而控制電阻爐的加溫電壓，起到調(diào)節(jié)爐溫的作用。</p><p>　　1.3 系統(tǒng)中要用到的主要芯片的簡介</p><p>　　1.3.1 8051 </p><p>　　8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串口接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，

23、具體介紹如下：</p><p>　　中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，

24、所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。</p><p>　　程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。</p><p>　　定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。</p><p>　　并行輸入

25、輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。</p><p>　　中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能， </p><p>　　時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單

26、片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容[2]</p><p>　　MCS-51的引腳說明：</p><p>　　8051采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。功能如下說明：</p><p><b>　　Pin20

27、:接地腳</b></p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。輸入輸出(I/O)引腳：</p><p>　　Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳也可作為低8位地

28、址總線，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳也可作為高8位地址總線，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳還具有第二功能，功能如下圖所示。</p><p>　　Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向00

29、00H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表：</p><p>　　表1-1 8051初始態(tài)</p><p>　　Pin30:ALE/PROE當(dāng)訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址

30、的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，PROE將用于輸入編程脈沖。</p><p>　　Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令

31、數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。[4]</p><p>　　Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。[2]在編程時，EA/Vpp腳還

32、需加上21V的編程電壓。</p><p>　　1.3.2 定時/計數(shù)器</p><p>　　1）工作方式寄存器TMOD</p><p>　　圖1-2 TMOD寄存器</p><p><b>　　M1、M0選擇方式</b></p><p>　　表1-2 M1、M0 選擇工作方式</p>

33、<p>　　功能選擇位，當(dāng)為0時，為定時器方式：當(dāng)為1時為計數(shù)器方式。</p><p>　　GATE門控位，當(dāng)為0時，只要控制位TR0或TR1置1，即可啟動響應(yīng)定時器開始工作；當(dāng)為1時，除需要TR0或TR1置1外，還需要或引腳為高電平時，才能啟動響應(yīng)的定時器開始工作。</p><p>　　TMOD不能進行尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置工作方式。</p><p

34、>　　2）定時/計數(shù)器控制寄存器TCON</p><p>　　TCON的作用是控制定時器的啟、停，標(biāo)志定時器的溢出和中斷情況。定時器TCON格式如下：</p><p>　　圖1-3 TCON定時器</p><p>　　TCON.7 TF1—定時器1溢出標(biāo)志。</p><p>　　當(dāng)定時器1計滿溢出時，由硬件TF1置1，并且申請中斷。進入

35、中斷服務(wù)程序后，由硬件自動清0。</p><p>　　TR1定時器1運行控制位。當(dāng)為1時，啟動定時器1工作；當(dāng)為0時，關(guān)閉定時器1工作。</p><p>　　TF0定時器0溢出標(biāo)志。TR0定時器0運行控制位。操作同上。IE1外部中斷1請求標(biāo)志。IT1外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。IE0外部中斷0請求標(biāo)志。IT0外部中斷0觸發(fā)方式選擇位。</p><p>　　1.3.3

36、 鎖存器74LS373 </p><p>　　74LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，其結(jié)構(gòu)圖如下。當(dāng)使能端G程 高電平時鎖存器中的內(nèi)容可以改變更新，而在返回低電平瞬間實現(xiàn)鎖存。如此時芯片的輸出控制端為OE低，即輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門輸出。</p><p>　　74LS373是帶清除端CLR的8D觸發(fā)器。它不帶三態(tài)門，但CLR端為低時，8個D觸發(fā)器中的內(nèi)容

37、將被清除而輸出全零，所以正常工作時該端應(yīng)接高電平。它在時鐘端CLK輸入為上升沿時觸發(fā)器中的內(nèi)容更新，因此單片機的ALE引腳應(yīng)先經(jīng)反相，再與該端相連接。經(jīng)過我們對他們的分析最終我們采用74LS373。(4)</p><p>　　74LS373的外部結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖1-4 74LS373的外部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.3.4 光控可控硅：&l

38、t;/p><p>　　晶閘管又叫硅可控整流元件，常簡稱為可控硅。普通晶閘管是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件。目前，晶閘管的派生器件很多，如雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管等，在無線電技術(shù)中應(yīng)用也很廣泛。事實上，晶閘管不只是川來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種額率的交流電變成另—種頻率的交流電，等等。人們常稱它為電力電子器件。</p

39、><p>　　1) 可控硅工作原理</p><p>　　可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成。</p><p>　　當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因為B

40、G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。</p><p>　　由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只

41、起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。</p><p>　　由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，如下表</p><p>　　表1-3 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件</p><p><b>　　2) 基本伏安特性</b></p><p>　　圖1-5 可控硅基本

42、伏安特性 </p><p><b>　?。?）反向特性</b></p><p>　　當(dāng)控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖3的特性開始彎曲，如特性O(shè)R段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生

43、永久性反向擊穿。</p><p>　　圖1-6 陽極加反向電壓</p><p><b>　?。?）正向特性</b></p><p>　　當(dāng)控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖1-6），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，圖3的特性發(fā)生了彎曲，如特性O(shè)A段所示，彎曲處的

44、是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓 </p><p>　　圖1-7 陽極加正向電壓</p><p>　　由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴

45、各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖3的虛線AB段。</p><p>　　這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進入正向?qū)щ姞顟B(tài)---通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，見圖2中的BC段</p><p>　　（3) 觸發(fā)導(dǎo)通在

46、控制極G上加入正向電壓時（見圖5）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋作用（見圖2）的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖3的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。</p><p>　　圖1-8 陽極和控制極均加正向電壓</p><p>　?。?) 普通晶閘管的主要參數(shù)</p><p&

47、gt;　　晶閘管的主要參數(shù)有：(1)額定通態(tài)平均電流It在規(guī)定的使用條件下．陽極—陰極間可以連續(xù)通過50H正弦半波電流的平均值。</p><p>　　(2)正向阻斷峰值電壓Vdrm。在門極開路，不加觸發(fā)信號，允許重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極之間的正向峰值電壓(手冊規(guī)定重復(fù)率為50次／s，持續(xù)時間不大于10MS)，稱為正向阻斷峰值電壓Vdrm。</p><p>　　(3)反向阻斷峰值電壓Vdr

48、m。當(dāng)晶閘管加反向電壓，處于反向阻斷狀態(tài)時．可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓(手冊規(guī)定重復(fù)率為50次／s，重復(fù)時間不大于10MS)。 (4)門極觸發(fā)電流Igt在室溫下，陽極與陰極間加有6v正電壓時、使元件完全開通所必須的最小門極直流電流。</p><p>　　(5)維持電流Ih。在室溫和門極斷路時，保持元件處于通態(tài)所必需的最小通態(tài)電流。</p><p>　　1.3.5 8279的

49、芯片介紹</p><p>　　8279 是一種可編程/顯示器接口芯片，用的比較多。它含鍵盤輸入和顯示輸出兩種功能。鍵盤輸入時它自動掃描，能與64個按鍵或傳感器組成的矩陣相連，接收輸入信息，存入先進先出/傳感器RAM；顯示輸出時它有一個顯示RAM，其內(nèi)容通過自動掃描，可由8或16位LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　圖1-9 8279芯片的引腳圖</p><p>

50、　　8279芯片各主要部件介紹</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)總線緩沖器和I/O控制雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線緩沖器用與單片機的數(shù)據(jù)總線相連。當(dāng)CS為高，RD為低時，數(shù)據(jù)總線緩沖器信息送D7-D0；當(dāng)CS為高，WR為低時，D7-D0上信息寫入數(shù)據(jù)總線緩沖器。當(dāng)A0=1時，讀向CPU的是狀態(tài)字，自CPU寫入的是命令字；當(dāng)A0=0，讀、寫的都是數(shù)據(jù)。</p><p>　　（2）控制及定時寄存器和控制

51、及定時控制及定時寄存器用于寄存CPU送來的命令字，在通過譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。定時是在對CLK端輸入的外部時鐘頻率N分頻、得到100kHz的內(nèi)部定時脈沖的基礎(chǔ)上，進一步給出5.1ms的鍵盤掃描時間、10.3ms的消抖時間和顯示掃描時間。</p><p>　?。?）掃描計數(shù)器 有兩種工作方式。一種是編碼方式，需由外部譯碼器對掃描輸端SL3-SL0上的二進制數(shù)進行譯碼，以產(chǎn)生對鍵盤或顯示器的掃描信號；另一種是譯碼

52、方式，在內(nèi)部對計數(shù)器低兩位譯碼后送SL3-SL0輸出，可做為鍵盤和顯示器的掃描信號。</p><p>　?。?）輸入緩沖器和鍵盤消抖控制 輸入緩沖器用與鎖存SL7-SL0上的信息。鍵盤各種方式時，當(dāng)搜索到閉合鍵，等待10.3ms，若該鍵仍閉合，則將該鍵所在的行、列號和SHIFT、CNTL鍵狀態(tài)都寫入FIFO/傳感器RAM。傳感器方式時，則直接將掃描時SL7-SL0上信息寫入FIFO/傳感器RAM。8279還可各

53、種于選通方式，此時由選通信號STB的上升沿將SL7-SL0上信息寫入FIFO/傳感器RAM。</p><p>　　（5）FIFO/傳感器RAM和它的狀態(tài)寄存器 該RAM有8個單位。在鍵盤和選通方式時，按寫入的次序，也即先進先出的原則讀出。它的狀態(tài)寄存器存放狀態(tài)字，用以指出此RAM中存放的字符數(shù)，是否出錯及溢出、空、滿等信息。RAM中有數(shù)據(jù)時，IRQ變高。在傳感器方式時，RAM的每一單元存放傳感器矩陣中相應(yīng)列的狀

54、態(tài)信息，當(dāng)某一傳感器狀態(tài)有變化，IRQ變高。</p><p>　?。?）顯示RAM和顯示地址寄存器 該RAM有6個單元，用于存放要顯示的筆畫信息，它的地址寄存器存放由CPU正在讀或?qū)懺揜AM某單元的地址，或正在顯示器的兩個半字節(jié)的地址。</p><p>　　（7) 由CPU向8279寫入的8種命令字</p><p>　?。╝）方式命令字 用于設(shè)定8279的各種方

55、式。</p><p>　?。╞）分頻命令字 用于設(shè)定分頻系數(shù)N。</p><p>　　8279復(fù)位后，該命令字為3FH。[4] </p><p>　?。╟）讀FIFO/傳感器RAM命令字 </p><p>　　讀顯示RAM命令字 在讀顯示RAM中的數(shù)據(jù)前，必須先寫入命令字。它的D7、D6、D5=011，是特征位。D3、D2、D1、

56、D0是要讀的起始地址。與上一命令字一樣：D4=1時，每次讀出后地址自動加1。</p><p>　?。╠）寫顯示RAM命令字 </p><p>　?。╡）屏蔽與消隱命令字 需要改寫顯示RAM中某單元的半個字節(jié)，而要求不影響、即屏蔽它的另半個字節(jié)時要寫入次命令字；需要使顯示熄滅、即消隱時也要寫入此命令字。</p><p>　?。╢）清除命令字 在需要清除RAM中內(nèi)

57、容等情況下，寫入此命令字。它</p><p>　?。╣）結(jié)束中斷/設(shè)定出錯命令字 它有兩中功能。</p><p>　　8279的狀態(tài)字的格式為：D7當(dāng)執(zhí)行清除命令字為1，此時寫顯示RAM無效。D6位如為1，在N鍵依次讀出方式時，表示出錯；而在傳感器方式時，表示至少有一個產(chǎn)肝氣閉合。D5、D4、D3位分別在FIFO/傳感器RAM溢出、已空或全滿時置1。D2、D1、D0表示FIFO/傳感器R

58、AM中的字符數(shù)。</p><p>　　8279的數(shù)據(jù)格式為：在鍵盤方式下，D7、D6分別表示CNTL鍵和SHIFT鍵的狀態(tài)；D5、D4、D3表示掃描計數(shù)器的數(shù)值，也即鍵盤的行號；D2、D1、D0表示由RL7-RL0確定的閉合鍵的列號。在傳感器方式和選通方式時，則D7-D6分別與RL7-RL0的值相對應(yīng)。[2]</p><p>　　當(dāng)8279的CS為高電平時，8279才進入工作狀態(tài)，即CS=

59、1</p><p>　　A0=1時是命令狀態(tài)字假設(shè)其余的全為低電平：</p><p>　　即為 1000 0000 0000 0001=8001H</p><p>　　A0=0時是數(shù)據(jù)口地址假設(shè)其余的全為低電平：</p><p>　　即為 1000 0000 0000 0000=8000H</p>&

60、lt;p>　　1.3.6 A/D轉(zhuǎn)換芯片</p><p>　　一般常見的有四種A/D轉(zhuǎn)換電路，其用途與性能見下表：</p><p>　　表1-4 常見4種A/D轉(zhuǎn)換電路用途與性能</p><p>　　這里選用的是ADC0809轉(zhuǎn)換芯片。ADC0809轉(zhuǎn)換芯片是8位、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)。應(yīng)用單一+5V電源，其模擬量輸入電路

61、的范圍為0~5V，對應(yīng)的數(shù)值量輸出為00H~FFH，轉(zhuǎn)換時間為100us,無須調(diào)零或調(diào)整滿量程。</p><p>　　圖1-10 ADC0809芯片引腳圖</p><p>　　ADC0809有28個引腳，在精度要求不太高的情況下，供電電源就用做基準(zhǔn)電源。該芯片中的START是芯片中的起動引腳。其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉(zhuǎn)換；EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，可用于向單片機申請中斷或供單片機查

62、詢；OE是輸出允許端；CLK是時鐘端，因芯片的時鐘頻率最高只可工作于640kHZ，故通常由單片機的ALE引腳經(jīng)分頻后接向該引腳；</p><p>　　1.3.7 電源電路</p><p>　　圖1-11 電源電路</p><p>　　在此電路里穩(wěn)壓器7805的壓降是2.5V，偏移電流是6mA，我們需要的電壓是5V，電路提供的電壓是9V，則電阻承擔(dān)的電壓為1.5V，

63、由此得</p><p><b>　　( 1-1)</b></p><p>　　圖1-12 電壓波形圖</p><p>　　1.4 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制實例</p><p>　　在很多行業(yè)中有大量的應(yīng)用電加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于融化金屬的干果電阻爐及各種不同用途的溫箱等，人們都需要對它們的溫度進行監(jiān)測和控

64、制。</p><p>　　以上是設(shè)計系統(tǒng)中要用的主要芯片的簡介。</p><p>　　2. 電加熱爐控制系統(tǒng)的控制算法</p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，在冶金、化工、機械等各類工業(yè)制造中，電加熱爐得到了廣泛的應(yīng)用。其溫度控制具有非線性大、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點，在傳統(tǒng)的控制中遇到了極大的困難。在本文中，采用算法簡單，效果好的PID控制

65、算法，與一般的控制算法相比，具有計算量小，控制結(jié)果簡單，靜動態(tài)性能較好等特點，有較高的使用價值。</p><p>　　2.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)</p><p>　　在這里討論的電加熱爐爐溫控制由上下兩組爐絲進行加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐溫，為了降低電加熱爐的成本，爐絲采用電阻絲直接加熱，系統(tǒng)要求采用實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，控制溫度誤差范圍5℃，調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%，系統(tǒng)被

66、測參數(shù)是溫度，由單片機PID運算得出的控制量控制光控可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷，以便切斷或接通加熱電源，調(diào)整電功率，從而控制電加熱爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的值上，并實時顯示爐內(nèi)溫度，記錄溫度的變化過程，以更好的控制電加熱爐工作。本系統(tǒng)較理想地解決了爐溫控制中平穩(wěn)性、快速性與精度之間的矛盾。</p><p>　　與電阻爐的時間常數(shù)相比，晶閘管調(diào)壓器、溫度變送器、功率放大器等環(huán)節(jié)都可以簡化成比例環(huán)節(jié)。在設(shè)計過程中的不管用哪種方法得

67、到控制系統(tǒng)的參數(shù)，直接使用時控制的效果不一定很好，必須結(jié)合實際調(diào)試來選擇數(shù)字控制器的參數(shù)。所謂的設(shè)計過程中的調(diào)試，就是按照公式計算出參數(shù)的數(shù)值，然后送入到微機中運行，觀察效果，如果效果不好，則對相應(yīng)的值作部分修改，一直調(diào)試到滿意的控制效果為止。調(diào)試的過程中，先按比例調(diào)節(jié)規(guī)律運行，比例系數(shù)由小到大地改變；然后加入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，積分時間常數(shù)有大到小地改變。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立</p&

68、gt;<p>　　電加熱爐本身由上下兩組爐絲加熱，用上下兩組熱電偶檢測爐內(nèi)溫度。因此電加熱爐為一雙輸入雙輸出的受控對象。由于在各類工業(yè)控制中，時滯現(xiàn)象相當(dāng)普遍，對于許多大的時間常數(shù)系統(tǒng)，也可以用適當(dāng)?shù)臅r間常數(shù)加純滯后環(huán)節(jié)來近似。因此，可以用階躍響應(yīng)近似確定電加熱爐的連續(xù)模型。本文采用被控對象的數(shù)學(xué)模型為： </p><p><b>　　(2-1) </b></p>

69、<p>　　由于電加熱爐本身是一個較復(fù)雜的被控對象，它具有非線性，時變和分布參數(shù)等特性。所以通常我們把這個雙輸入雙輸出系統(tǒng)分解成兩個單輸入單輸出的系統(tǒng)，?數(shù)學(xué)模型為上式。兩個系統(tǒng)的輸入輸出之間的相互影響看作是干擾。假設(shè)檢測元件的函數(shù)模型為H(s)，根據(jù)反饋控制系統(tǒng)圖可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。</p><p>　　工作原理：熱電偶可將檢測的溫度轉(zhuǎn)換成mV級的電壓信號，經(jīng)溫度變送器放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)

70、換成數(shù)字量送入計算機，與設(shè)定值進行比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后，輸出驅(qū)動信號，控制光控可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。若檢測的實際值與設(shè)定值相比，高則報警，低則控制繼續(xù)加熱。</p><p>　　圖2-1 反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　圖中G(s)與Gc(s)分別為控制器和被控對象的傳遞函數(shù)模型，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2

71、-2)</b></p><p>　　由以上公式得到PID的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　2.3 PID控制器的控制算法</p><p>　　以下介紹了其中的一種積分分離PID控制的控制算法。</p><p>　　圖2-2 具有積分分離

72、的PID控制過程</p><p>　　連續(xù)系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器為對誤差的比例、積分和微分控制，即 　　 (2-4)</p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　式中：Ti、Td分別為積分和微分時間常數(shù)；K

73、p、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。在計算機控制系統(tǒng)中使用的是PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，就是對式(2-4)離散化 ，令 </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中，T是采樣周期。由式（2-4）與式（2-6）可得</p><p><b>　　(2-7)</b></p>&l

74、t;p>　　式（2-7）稱為位置式PID控制算法。由于位置式算法輸出在計算過程中容易產(chǎn)生積分飽和作用，導(dǎo)致控制器的響應(yīng)速度變慢，而且由于積分的累積作用，在手動和自動切換時，很難做到無擾動切換。因此，人們又提出一種新的控制算法，PID增量式控制算法： </p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　在普通的數(shù)字PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)

75、的目的，主要是為了消除靜差、提高精度，但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定植時，會造成PID運算積分積累，致使算得的控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能最大的動作范圍所對應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩，這是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)所不允許的，為了避免上述情況的發(fā)生，才用積分分離PID控制算法，及保持了積分作用，又可以減小超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善，其具體實現(xiàn)如下：</p><p>　?。?）根據(jù)實際情

76、況，設(shè)定一閾值ε>0。</p><p>　?。?）當(dāng)|e(k)|>ε時，也即偏差值|e(k)|比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。</p><p>　?。?）當(dāng)|e(k)|≤ε時，也即偏差值|e(k)|比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。</p><p>　　對于算法實現(xiàn)，可在積分項乘一個系數(shù)β，β按下式取值：&l

77、t;/p><p>　　(2-9) </p><p>　　當(dāng)|e(k)|>ε時，即β=0，進行PD控制，PD控制算法為：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　當(dāng)|e(k)|≤ε時，即β=1，進行PID控制

78、，PID控制算法為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　2.3.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響</p><p>　　1）、比例控制Kp對系統(tǒng)性能的影響</p><p>　?。?）對動態(tài)性能的影響</p><p>　　比例控制Kp加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速

79、度加快，Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)回趨遇不穩(wěn)定。若Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。</p><p>　?。?）對穩(wěn)態(tài)性能的影響</p><p>　　加大比例控制Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差ess,提高控制精度，但是加大Kp只是減少ess,卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　2） 積分控制Ti對控制性能的影響<

80、;/p><p>　　積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成PI控制或PID控制。</p><p>　?。?） 對動態(tài)性能的影響</p><p>　　積分控制Ti通常使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。Ti太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定。Ti偏小，振蕩次數(shù)較多。Ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。當(dāng)Ti合適時，過渡特性比較理想。</p><p>　　（2） 對穩(wěn)態(tài)性能的影響&

81、lt;/p><p>　　積分控制Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。若是太大時，積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　3） 微分控制Td對控制性能的影響</p><p>　　微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PD控制或PID控制。</p><p>　　微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量σp減少，調(diào)節(jié)時

82、間ts縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度；</p><p>　　當(dāng)Td偏大時，超調(diào)量σp較大，調(diào)解時間較長。</p><p>　　當(dāng)Td偏小時，超調(diào)量σp也較大，調(diào)解時間ts也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過程。</p><p>　　2.3.2 PID控制器參數(shù)設(shè)定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)

83、被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。</p><p>　　PID控制器有

84、4個主要的參數(shù)Ts、Kp、Ti和Td需要整定，參數(shù)整定效果的影響非常大。在整定參數(shù)時首先應(yīng)把握住PID參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系。</p><p>　　在PID這三種控制作用中，比例部分與誤差信號在時間上是一致的，具有調(diào)節(jié)及時的特點，比例系統(tǒng)Kp越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度越高。但是對于大多數(shù)系統(tǒng)，Kp過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。</p><p>　　控制器中

85、的積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況有關(guān)系，只要誤差不為0，控制器輸出就會因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，積分部分才不會發(fā)生變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動作緩慢，可以給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不良影響，因此很少單獨使用。</p><p>　　積分時間常數(shù)Ti增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的進度減慢。</p>

86、;<p>　　誤差變化的速度反映了被控量變化的趨勢，微分部分根據(jù)它提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。它較比例調(diào)節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預(yù)測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，可能會使超調(diào)量減小，動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)值時可能上升慢。</p><p>　　選取采樣周期Ts時，應(yīng)使它遠小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時間或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量

87、的變化，Ts越小越好。但是Ts太小會增加CPU的運算速度，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將TS取得過小，在過程控制中采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)溫度一般Ts=20s。</p><p>　　（1）結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，使用方便</p><p>　　PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計簡單，計算工作量較小，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實現(xiàn)多回路控制、串級控制等復(fù)雜的控制。<

88、/p><p>　?。?）有較強的靈活性和適應(yīng)性</p><p>　　根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進的控制方式，例如Pi、Pd、帶死區(qū)的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法結(jié)合，可以實現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。 &l

89、t;/p><p>　　2.4 電加熱爐積分分離PID控制的仿真研究</p><p>　　MATLAB/SIMULINK環(huán)境是一種系統(tǒng)仿真工具軟件，其使用可大大提高系統(tǒng)仿真和CAD的效率和可靠性。SIMULINK的含義相當(dāng)直觀，其明顯地表明該軟件的2個顯著功能：simu（仿真）與link（連接），亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)

90、進行仿真或線形化分析。</p><p><b>　　抗干擾能力</b></p><p>　?。?）為了保護電路的性能，電阻全部選用精密電阻，電容選用高阻抗優(yōu)質(zhì)電容，并且進行篩選配套。要求印制電路板的絕緣質(zhì)量要好，布線安排要合理。實踐證明，布線的安排對電路的性能影響是明顯的。</p><p>　　（2）采用屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)。以金屬材料

91、例如鐵制的封閉金屬盒具有電磁屏蔽功能?？墒蛊帘魏袃?nèi)的電路免受外界干擾電場、磁場的影響。在控制電路中設(shè)置了光電隔離電路，可以防止強電和弱電共地對單片機的干擾。將數(shù)字地、模擬地分開，最后在電源板一點共地，可有效的防止A/D輸入對單片機產(chǎn)生的共摸干擾。</p><p>　?。?）電橋電源采用專用橋頭電源變壓器，整流后用大電容濾波，使橋路有一個很穩(wěn)定的電流。</p><p>　?。?）微機系統(tǒng)應(yīng)用

92、中供電系統(tǒng)抗干擾是很重要的。我們要在交流電源進入處采用了隔離變壓器，并采用電源濾波技術(shù)。</p><p>　?。?）采用軟件濾波法，提高軟件的可靠性。①程序高速循環(huán)法；②輸出反饋、表決和周期刷新；③存儲器使用技巧；④實時診斷技術(shù)；⑤數(shù)字濾波技術(shù)。</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析</p><p>　　對于電阻爐溫度控制，采用了適用于工業(yè)控制的80

93、51單片機組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的被測參數(shù)是電阻爐的溫度，由單片機PID運算得出的控制量去控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以便切斷或接通加熱電源，調(diào)整電工功率，從而控制電阻爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。本文的控制算法采用的是普通的PID控制算法：</p><p>　　3.1 積分分離PID控制算法</p><p>　　PID控制系統(tǒng)的原理和特點 在實際中，運用的PID控制，即所謂的為比例、積分、微分

94、控制，簡稱PID控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，或者是控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)較方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是

95、根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。例如設(shè)計一個PID控制系統(tǒng)框圖，運用純滯后環(huán)節(jié)，設(shè)置溫度為1400度。當(dāng)只有比例（P）控制時，我們在MATLAB上可以設(shè)計出只有P的控制框圖，框圖如下：</p><p>　　圖3-1 比例的控制框圖</p><p>　　將此圖進行仿真（以上比例（P）的設(shè)定數(shù)據(jù)，可以在實驗中反復(fù)調(diào)試，最終當(dāng)P為20時，根據(jù)實驗仿真出來的圖形得出此時

96、系統(tǒng)的溫度設(shè)定相對穩(wěn)定）。</p><p><b>　　得出的仿真圖如下：</b></p><p>　　圖3-2 比例仿真圖比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。由圖我們不難發(fā)現(xiàn)這個問題。則須采用積分（I）控制</p><p>　　

97、積分（I）控制 。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，

98、直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 我們可以用仿真實驗來說明這個問題。設(shè)置I為0.1（數(shù)據(jù)的設(shè)置，可以經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，根據(jù)仿真圖來設(shè)定）</p><p>　　圖3-3 PI控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　由以上的控制系統(tǒng)框圖，我們可以得出的仿陣圖如下：</p><p>　　圖3-4 PI仿真圖</p><

99、;p>　　由以上的仿真圖，我們可以得出與只有P時相比，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能有所緩和，但是由圖我們也不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的超調(diào)量還是很高， 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差

100、接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”“積分”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+積分+微分(PID)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。</p><p>　　通常，

101、電加熱爐溫度控制采用偏差控制法，偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。</p><p>　　例如我們也可以運用仿真實驗來說明問題，還是以以上實驗為例?？刂葡到y(tǒng)的框圖如下：</p><p>　　圖3-5 PID系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　以上數(shù)據(jù)的調(diào)試，是根據(jù)實驗中仿真系統(tǒng)的

102、穩(wěn)態(tài)性能進行調(diào)試的。當(dāng)最終確定為以上數(shù)據(jù)時，我們得出的控制系統(tǒng)的仿真圖如下：</p><p>　　圖3-6 PID系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　由以上三組仿真出來的圖形，我們可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能確實是逐步得到改善。但是對于以上的仿真圖，我們也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能在最后即使得到了逐步的改善，但是最終系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能也不是很好，這就要求我們在系統(tǒng)的設(shè)置上采用一種更好的控制方案，這里選用史密斯預(yù)

103、估補償方案。</p><p>　　設(shè)計的史密斯預(yù)估補償控制框圖如圖2-9：</p><p>　　3-7 史密斯預(yù)估補償控制框圖</p><p>　　由以上的控制框圖，我們可以得出以下的仿真圖</p><p>　　圖3-8史密斯預(yù)估補償控制仿真圖</p><p>　　由仿真圖我們可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善。

104、因此說，經(jīng)過預(yù)估補償后，閉環(huán)控制方程中已消去了，也就是消除了時滯對控制品質(zhì)的不利的影響。對于隨動控制系統(tǒng)，控制過程僅在時間上推遲了時間t ，這樣，系統(tǒng)的過度過程狀態(tài)與品質(zhì)和無時滯的完全相同。對于定值控制系統(tǒng)，控制作用要比擾動滯后一個t 時間，所以控制效果不及歲動控制系統(tǒng)那樣明顯。</p><p>　　史密斯預(yù)估補償器的應(yīng)用近年才日益普遍。主要原因是物理實現(xiàn)問題。但隨著電子計算機應(yīng)用，特別是DCS系統(tǒng)中事實跟尾方便

105、。這種補償器不僅可用于單輸入單輸出系統(tǒng)，也可用于多輸入多輸出系統(tǒng)。</p><p>　　史密斯預(yù)估補償器對大時滯過程盡可能提供很好的控制質(zhì)量，但遺憾的是，其控制質(zhì)量對模型誤差十分敏感，特別是時滯時間和增益誤差。所以對非線形嚴重或時變增益的過程，這種對非線性史密斯預(yù)估補償器是不太適用的[7]。</p><p><b>　　3.2 占空比函數(shù)</b></p>

106、<p>　　設(shè)定U(k)變化量是從-10到10，占空比α為0%到100%，則得到變化量k的值：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　則α與U(k)的關(guān)系式為</p><p><b>　?。?-3）&

107、lt;/b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　設(shè)電源導(dǎo)通周期為20ms，則在一個周期內(nèi)加熱的時間Ton=αT。</p><p>　　在加熱的過程中，當(dāng)溫度達到設(shè)置的溫度時，根據(jù)占空比我們可以求算出在一個周期內(nèi)加

108、熱的時間。這樣避免了能源的浪費，更重要的是避免了加熱中溫度不能達到設(shè)定值。</p><p>　　由以上的公式，我們可以研究出一個這樣的結(jié)論，在-10到10之間，</p><p>　　表3-1 由U（k）和占空比得出加熱時間</p><p>　　由以上的表格我們可以看出， U(k)與加熱時間是成反比，U(k)越高，則加熱的時間越短。則在實際電加熱爐控制系統(tǒng)中，我們可以

109、根據(jù)實際情況設(shè)置的數(shù)據(jù)運算出占空比，然后根據(jù)占空比計算出加熱時間。</p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　本文所設(shè)計的電加熱爐是通過調(diào)節(jié)輸入電壓從而來控制輸出溫度的。電壓是控制好電加熱爐溫度的重要參數(shù)?？刂坪眠@一參數(shù)能較好地保證溫度的穩(wěn)定。這里以電加熱爐為被控對象，通過對電加熱爐對象的特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案，建立了電

110、加熱爐數(shù)學(xué)模型，同時應(yīng)用PID控制算法來實現(xiàn)電加熱爐的溫度控制。</p><p>　　而對于系統(tǒng)采用積分分離PID智能控制，可以達到理想的控制效果：控制方案合理，穩(wěn)定精度高，超調(diào)量小。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，抗干擾性強。能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前溫度，便于監(jiān)控。</p><p>　　當(dāng)然對于普通的PID算法，也存在著局限性。一般來說所有的工業(yè)控制對象都具有時滯的對象。衡量過程（對象）時滯的大小通常采用過

111、程時滯t和過程等效時間常數(shù)T之比t/T。它們之比越大越不容易控制，當(dāng)t/T大于0.3-0.5時可稱為具有大時滯的系統(tǒng)。對于大時滯系統(tǒng)能夠采用PID控制規(guī)律，如果要求不高，則可以差強人意，如果希望有良好的控制品質(zhì)，就難于滿足。對于這些問題，我們可以嘗試運用史密斯預(yù)估方案。運用這個方案，主要一個原因就是消除了時滯對控制品質(zhì)不利的影響。確實史密斯預(yù)估補償器對大時滯過程盡管提供了很好的控制質(zhì)量，但是其控制質(zhì)量對模型誤差十分敏感，特別是時滯時間和