溫度控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目： 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p

2、>　　班 級(jí)： 　 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p><b>　　第 一 部 分&

3、lt;/b></p><p><b>　　任</b></p><p><b>　　務(wù)</b></p><p><b>　　書</b></p><p>　　《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　一、課題名稱</

4、b></p><p><b>　　溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重

5、要的意義。</p><p>　　《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系

6、統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)和ADC、PWM及測(cè)溫等電路和溫度模塊構(gòu)成的計(jì)算機(jī)溫度反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）、測(cè)溫電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路等。</p>

7、;<p>　　2. 控制算法：增量型的PID控制。</p><p>　　3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、PID控制程序、PWM程序等。</p><p><b>　　四、課程設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1. 模入電路通道0接受熱敏電阻電壓輸入。</p><p>　　2.

8、熱敏電阻的溫度與電壓關(guān)系是非線性的，通過查表實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3. 由DOUT0（P1.4)輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。</p><p>　　4. PID參數(shù)整定用湊試法。</p><p>　　5. 定時(shí)中斷間隔可在30-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取500-2000ms，PWM控制的周期與采樣周期相同。</p><p&g

9、t;　　6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。</p><p>　　7. 溫度設(shè)定值由程序給定， 溫度設(shè)定值和實(shí)際溫度值通過實(shí)驗(yàn)箱的DAC的OUT1和OUT2輸出。</p><p>　　有關(guān)的設(shè)計(jì)資料可參考《計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》的相關(guān)內(nèi)容。</p><p>　　五、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　1. 控制系統(tǒng)能正確運(yùn)行。<

10、/p><p>　　2. 選擇兩個(gè)不同的采樣周期，正確整定PID參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)<10%，調(diào)節(jié)時(shí)間盡量?。囟鹊慕o定值在50~70度之間選擇）。</p><p>　　3. 自行給定一個(gè)變化的溫度設(shè)定曲線，記錄系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線（選做）。</p><p><b>　　六、進(jìn)度安排</b></p><p>　　七、課

11、程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：</p><p>　　總結(jié)設(shè)計(jì)過程，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：</p><p>　　1．課程設(shè)計(jì)的目和設(shè)計(jì)的任務(wù)。</p><p>　　2．課程設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖（含被控對(duì)象），電路的原理。

12、 </p><p>　　5．軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說明。</p><p>　　6．電路設(shè)計(jì)，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。</p><p>　　7．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。</p><p><b>　　8．體會(huì)。</b></p><p><b>　　第 二 部 分</b>&

13、lt;/p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　報(bào)</b></p

14、><p><b>　　告</b></p><p>　　目 錄 （宋體2號(hào)加粗）</p><p><b>　?。砥鹨豁摚┱?lt;/b></p><p>　　1 課題簡(jiǎn)介 （宋體4號(hào)加粗）</p><p>　　課題的目的，任務(wù)，要求</p><p>　　

15、1.1 ***********</p><p>　?。ǜ袷剑核误w5號(hào)，首行縮進(jìn)2格，單倍行距，下同）</p><p>　　1.2 ***********</p><p>　　2 ***** 方案設(shè)計(jì)</p><p>　　控制系統(tǒng)總體介紹, 框圖，閉環(huán)工作原理。</p><p>　　2.1 ***********<

16、;/p><p>　　2.2 ***********</p><p>　　3 ***** 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　重點(diǎn)介紹A/D如何通過熱敏電阻，獲取溫度信號(hào)；PWM控制怎樣改變溫度模塊的溫度。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 ***********</p>

17、;<p>　　4 ***** 控制算法設(shè)計(jì)</p><p>　　重點(diǎn)介紹控制算法的原理，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算公式推導(dǎo)，采樣周期選擇。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 ***********</p><p>　　5 ***** 軟件編程設(shè)計(jì)</p><p>　　重

18、點(diǎn)介紹程序的功能與實(shí)現(xiàn)：主程序，定時(shí)中斷程序，外中斷程序各自完成哪些任務(wù)？主程序與兩個(gè)中斷程序的流程圖（自己畫）。A/D轉(zhuǎn)換程序，PID程序，PWM程序的源碼與介紹。報(bào)告不要附上全部源碼。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 ***********</p><p><b>　　6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析</b>

19、;</p><p>　　重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的調(diào)試。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 *********</p><p><b>　　1.課題簡(jiǎn)介</b></p><p><b>　　1.1課題目的</b></p><

20、;p>　　課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。</p><p>　　《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等

21、方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.2課題設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)和ADC、PWM及測(cè)溫等電路和溫

22、度模塊構(gòu)成的計(jì)算機(jī)溫度反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）、測(cè)溫電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路等。</p><p>　　2. 控制算法：增量型的PID控制。</p><p>　　3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、PID控制程序、PWM程序等。</p><p&g

23、t;<b>　　1.3課題設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1. 模入電路通道0接受熱敏電阻電壓輸入。</p><p>　　2. 熱敏電阻的溫度與電壓關(guān)系是非線性的，通過查表實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3. 由DOUT0（P1.4)輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。</p><p>　　4. PID參數(shù)整定用湊試法。</p&

24、gt;<p>　　5. 定時(shí)中斷間隔可在30-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取500-2000ms，PWM控制的周期與采樣周期相同。</p><p>　　6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。</p><p>　　7. 溫度設(shè)定值由程序給定， 溫度設(shè)定值和實(shí)際溫度值通過實(shí)驗(yàn)箱的DAC的OUT1和OUT2輸出。</p><p>&l

25、t;b>　　2.方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　方案中使用熱敏電阻作為測(cè)溫元件，溫度變化引起電阻值發(fā)生變化，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換成電壓信號(hào)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生采樣中斷，在中斷程序中讀取數(shù)字量，形成反饋量，經(jīng)PID運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈寬量，最后有系統(tǒng)的“DOUT0”端輸出PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制溫度單元加熱或關(guān)斷，使其溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p&g

26、t;<b>　　3.硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　7805芯片的溫度是用熱敏電阻來測(cè)量的，熱敏電阻的阻值變化引起模數(shù)轉(zhuǎn)換通道0的電壓改變，經(jīng)數(shù)字控制器運(yùn)算送出PWM控制，就可以對(duì)該單元實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。</p><p>　　圖中，用P1.7來產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的啟動(dòng)信號(hào)，通過“OUT1”排針引出。采樣周期有采樣周期變量TK確定，“DOUT0”表示51的I/

27、O管腳P1.4,用于產(chǎn)生PWM信號(hào)，該P(yáng)WM脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元后控制溫度單元7805的輸入電壓。“IRQ7”是51單片機(jī)的外部中斷1輸入（采樣中斷）。</p><p>　　根據(jù)溫度給定值和測(cè)溫反饋量，經(jīng)PID運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈寬量，最后由系統(tǒng)的“DOUT0”端輸出PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制溫度單元加熱或關(guān)斷，使其溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p><b>　　4.控制算法設(shè)計(jì)

28、</b></p><p><b>　　增量型位置算法</b></p><p>　　由數(shù)字PID位置型控制算式</p><p>　　得u（k-1）的表達(dá)式</p><p>　　將上述兩式相減，即得數(shù)字PID增量型控制算法為</p><p>　　其中：稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系

29、數(shù)。</p><p>　　為了編程方便，將表達(dá)式整理成如下形式：</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　5.軟件編程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　PID算法（增量式）</p><p>　　*************************

30、****************</p><p>　　void pid(void)</p><p>　　{ float K,P,I,D;</p><p>　　EK=SPEC-YK;//計(jì)算偏差</p><p>　　BEK=EK-EK_1-AEK; /*△2EK*/</p><p>　　AEK=

31、EK-EK_1; /*△EK*/</p><p>　　if ( (abs(EK)>IBAND) || TTI==0) I=0;//判積分分離值</p><p><b>　　else </b></p><p>　　{ I=EK*TK;//計(jì)算積分項(xiàng)</p><p><b

32、>　　I=I/TTI;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　P=AEK;//比例項(xiàng)</p><p>　　D=TTD*BEK;//計(jì)算微分項(xiàng)</p><p><b>　　D=D/TK;</b></p><

33、;p>　　/*△UK=KP*△EK + KI*Ek + KD*(△EK-△EK-1) UK=△UK+UK-1*/</p><p>　　K=KKP*(P+I+D);</p><p><b>　　K=K+UK_1;</b></p><p>　　if(K>127) K=127;//判控制量是否溢出，溢出賦極值</p&g

34、t;<p>　　if(K<-128) K=-128;</p><p><b>　　UK = K;</b></p><p>　　UK_1=UK;</p><p><b>　　EK_1=EK;</b></p><p>　　UK=UK+128;</p><p

35、><b>　　}</b></p><p><b>　　PWM控制程序</b></p><p>　　void Timer0() interrupt 1 using 1</p><p>　　{TH0 = t0_h;//重新裝入初值</p><p>　　TL0 = t0_l;&l

36、t;/p><p>　　if(TC < TK) TC++; //采樣周期變量累加</p><p><b>　　else </b></p><p>　　{TKMARK = 0x01;//采樣時(shí)刻到</p><p>　　TC = 0x00;</p><p>　　str

37、= 0;</p><p>　　str = 1; //啟動(dòng)A/D</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(VAA != 0x00)//通電時(shí)間值未到零，升溫</p><p>　　{ VAA = VAA-1;</p><p>

38、　　DOUT0 = 0;//P1.4清零，繼續(xù)加溫</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　{ DOUT0 = 1;//P1.4置一，斷電</p><p><b>　　}</b>&l

39、t;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析</b></p><p><b>　　6.1調(diào)試方法</b></p><p>　　首先整定比例部分。TI取較大值，TD=0，將比例增益KP由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到響應(yīng)曲線超調(diào)小、反應(yīng)

40、快。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內(nèi)，那么只需比例調(diào)節(jié)器即可。</p><p>　　如果比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)靜差不能滿足要求，則要加入積分作用。正定時(shí)首先置積分時(shí)間TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小，然后減小積分時(shí)間，使靜差得到消除。如果動(dòng)態(tài)性能也滿意，則PI調(diào)節(jié)器即可。</p><p>　　若動(dòng)態(tài)性能不好，則需要加入微分作用。整定時(shí)，使微分時(shí)間TD從零變大，并

41、相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直到滿意結(jié)果。</p><p><b>　　6.2 波形結(jié)果</b></p><p><b>　　未加濾波程序</b></p><p><b>　　加濾波程序</b></p><p><b>　　7 小結(jié)與體會(huì)</b>

42、;</p><p>　　為期一周半的計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)終于告一段落了，在此次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，將我們課堂上所學(xué)的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法充分利用到了此次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于書本上所學(xué)到的只是單純的算法而從未真正應(yīng)用到編程當(dāng)中，所以期間遇到了各種各樣的問題。首先，單片機(jī)知識(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間未涉及導(dǎo)致大量遺忘，而且此次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中要利用C語言進(jìn)行編程，跟之前學(xué)習(xí)的指令存在較大差異，所以一開始對(duì)我們來說很有難度，幸好是有之前實(shí)驗(yàn)中使用的

43、程序。因此，我們就在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。修改過程中，主要的問題還是要增加濾波程序，并且要將PID函數(shù)中將位置型改為增量型。我們首先是對(duì)增量型算法進(jìn)行深入研究然后將其算法放入函數(shù)當(dāng)中。此次實(shí)驗(yàn)另外的困難就是調(diào)節(jié)PID參數(shù)，由于課程設(shè)計(jì)題目的特殊性，每次調(diào)節(jié)觀察波形時(shí)間花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)。完成這一系列的工作之后，指導(dǎo)老師要求我們推算出溫度電壓表的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過大量運(yùn)算也初步實(shí)現(xiàn)了模擬。在硬件電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，首次接觸了陌生的PROTEL，自己學(xué)習(xí)軟件用

44、法然后參考各種書籍資料實(shí)現(xiàn)了硬件電路設(shè)計(jì)工作。</p><p>　　通過這次的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到任何課程的學(xué)習(xí)都需要理論結(jié)合實(shí)際，這樣才能更好地掌握所學(xué)的知識(shí)并將它很好地應(yīng)用于實(shí)踐中。同時(shí)，在實(shí)踐過程中，可以通過查找資料、分析資料和請(qǐng)教老師和同學(xué)，使一些不清楚的問題得以解決，這樣的話，可以起到事半功倍的效果。當(dāng)然，最關(guān)鍵的還是靠自己親自去思考問題、解決問題，掌握獨(dú)自面對(duì)各類的問題的方法。</p>&