溫度控制系統(tǒng)計算機控制課程設計

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目： 溫度控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　課 程： 計算機控制技術課程設計 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p

2、>　　班 級： 　 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　第 一 部 分&

3、lt;/b></p><p><b>　　任</b></p><p><b>　　務</b></p><p><b>　　書</b></p><p>　　《計算機控制技術》課程設計任務書</p><p><b>　　一、課題名稱</

4、b></p><p><b>　　溫度控制系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　二、課程設計目的</b></p><p>　　課程設計是課程教學中的一項重要內(nèi)容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內(nèi)容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質(zhì)具有很重

5、要的意義。</p><p>　　《計算機控制技術》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系

6、統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎。</p><p><b>　　三、課程設計內(nèi)容</b></p><p>　　設計以89C51單片機和ADC、PWM及測溫等電路和溫度模塊構(gòu)成的計算機溫度反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）、測溫電路、PWM驅(qū)動電路等。</p>

7、;<p>　　2. 控制算法：增量型的PID控制。</p><p>　　3. 軟件設計：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、課程設計要求</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系是非線性的，通過查表實現(xiàn)。</p><p>　　3. 由DOUT0（P1.4)輸出PWM驅(qū)動信號。</p><p>　　4. PID參數(shù)整定用湊試法。</p><p>　　5. 定時中斷間隔可在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. 溫度設定值由程序給定， 溫度設定值和實際溫度值通過實驗箱的DAC的OUT1和OUT2輸出。</p><p>　　有關的設計資料可參考《計算機控制實驗指導書》的相關內(nèi)容。</p><p>　　五、課程設計實驗結(jié)果</p><p>　　1. 控制系統(tǒng)能正確運行。<

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

11、程設計報告內(nèi)容：</p><p>　　總結(jié)設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內(nèi)容要求如下：</p><p>　　1．課程設計的目和設計的任務。</p><p>　　2．課程設計的要求。</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（含被控對象），電路的原理。

12、 </p><p>　　5．軟件設計流程圖及其說明。</p><p>　　6．電路設計，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。</p><p>　　7．實驗結(jié)果及其分析。</p><p><b>　　8．體會。</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</b></p><p><b>　　計</b></p><p><b>　　報</b></p

14、><p><b>　　告</b></p><p>　　目 錄 （宋體2號加粗）</p><p><b>　　（另起一頁）正文</b></p><p>　　1 課題簡介 （宋體4號加粗）</p><p>　　課題的目的，任務，要求</p><p>　　

15、1.1 ***********</p><p>　?。ǜ袷剑核误w5號，首行縮進2格，單倍行距，下同）</p><p>　　1.2 ***********</p><p>　　2 ***** 方案設計</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 ***** 硬件電路設計</p><p>　　重點介紹A/D如何通過熱敏電阻，獲取溫度信號；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 ***** 控制算法設計</p><p>　　重點介紹控制算法的原理，計算機實現(xiàn)的計算公式推導，采樣周期選擇。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 ***********</p><p>　　5 ***** 軟件編程設計</p><p>　　重

18、點介紹程序的功能與實現(xiàn)：主程序，定時中斷程序，外中斷程序各自完成哪些任務？主程序與兩個中斷程序的流程圖（自己畫）。A/D轉(zhuǎn)換程序，PID程序，PWM程序的源碼與介紹。報告不要附上全部源碼。</p><p>　　3.1 ***********</p><p>　　3.2 ***********</p><p><b>　　6 實驗與結(jié)果分析</b>

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

20、;p>　　課程設計是課程教學中的一項重要內(nèi)容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內(nèi)容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質(zhì)具有很重要的意義。</p><p>　　《計算機控制技術》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等

21、方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設計方法和設計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎。</p><p><b>　　1.2課題設計任務</b></p><p>　　設計以89C51單片機和ADC、PWM及測溫等電路和溫

22、度模塊構(gòu)成的計算機溫度反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）、測溫電路、PWM驅(qū)動電路等。</p><p>　　2. 控制算法：增量型的PID控制。</p><p>　　3. 軟件設計：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課題設計要求</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系是非線性的，通過查表實現(xiàn)。</p><p>　　3. 由DOUT0（P1.4)輸出PWM驅(qū)動信號。</p><p>　　4. PID參數(shù)整定用湊試法。</p&

24、gt;<p>　　5. 定時中斷間隔可在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. 溫度設定值由程序給定， 溫度設定值和實際溫度值通過實驗箱的DAC的OUT1和OUT2輸出。</p><p>&l

25、t;b>　　2.方案設計</b></p><p>　　方案中使用熱敏電阻作為測溫元件，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，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行轉(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運算產(chǎn)生相應的PWM脈寬量，最后有系統(tǒng)的“DOUT0”端輸出PWM脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制溫度單元加熱或關斷，使其溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p&g

26、t;<b>　　3.硬件電路設計</b></p><p>　　7805芯片的溫度是用熱敏電阻來測量的，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)字控制器運算送出PWM控制，就可以對該單元實現(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)換單元的啟動信號，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，該PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動單元后控制溫度單元7805的輸入電壓。“IRQ7”是51單片機的外部中斷1輸入（采樣中斷）。</p><p>　　根據(jù)溫度給定值和測溫反饋量，經(jīng)PID運算產(chǎn)生相應的PWM脈寬量，最后由系統(tǒng)的“DOUT0”端輸出PWM脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制溫度單元加熱或關斷，使其溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p><b>　　4.控制算法設計

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，將表達式整理成如下形式：</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　5.軟件編程設計</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;//計算積分項</p><p><b

32、>　　I=I/TTI;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　P=AEK;//比例項</p><p>　　D=TTD*BEK;//計算微分項</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;//采樣時刻到</p><p>　　TC = 0x00;</p><p>　　str

37、= 0;</p><p>　　str = 1; //啟動A/D</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(VAA != 0x00)//通電時間值未到零，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 實驗與結(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，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到響應曲線超調(diào)小、反應

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)的基礎上系統(tǒng)靜差不能滿足要求，則要加入積分作用。正定時首先置積分時間TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小，然后減小積分時間，使靜差得到消除。如果動態(tài)性能也滿意，則PI調(diào)節(jié)器即可。</p><p>　　若動態(tài)性能不好，則需要加入微分作用。整定時，使微分時間TD從零變大，并

41、相應的改變比例系數(shù)和積分時間，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</b>

42、;</p><p>　　為期一周半的計算機控制課程設計終于告一段落了，在此次課程設計當中，將我們課堂上所學的數(shù)字控制器設計方法充分利用到了此次課程設計當中，由于書本上所學到的只是單純的算法而從未真正應用到編程當中，所以期間遇到了各種各樣的問題。首先，單片機知識由于長時間未涉及導致大量遺忘，而且此次課程設計當中要利用C語言進行編程，跟之前學習的指令存在較大差異，所以一開始對我們來說很有難度，幸好是有之前實驗中使用的

43、程序。因此，我們就在實驗基礎上進行修改。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。我們首先是對增量型算法進行深入研究然后將其算法放入函數(shù)當中。此次實驗另外的困難就是調(diào)節(jié)PID參數(shù)，由于課程設計題目的特殊性，每次調(diào)節(jié)觀察波形時間花費相當長。完成這一系列的工作之后，指導老師要求我們推算出溫度電壓表的函數(shù)關系，經(jīng)過大量運算也初步實現(xiàn)了模擬。在硬件電路設計當中，首次接觸了陌生的PROTEL，自己學習軟件用

44、法然后參考各種書籍資料實現(xiàn)了硬件電路設計工作。</p><p>　　通過這次的課程設計，我認識到任何課程的學習都需要理論結(jié)合實際，這樣才能更好地掌握所學的知識并將它很好地應用于實踐中。同時，在實踐過程中，可以通過查找資料、分析資料和請教老師和同學，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。當然，最關鍵的還是靠自己親自去思考問題、解決問題，掌握獨自面對各類的問題的方法。</p>&