畢業(yè)論文--溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、<p>　　溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：設(shè)計(jì)一個(gè)利用8086PC機(jī)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電阻爐溫度的自動(dòng)巡回檢測(cè)控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)以8086 為基礎(chǔ)，以并行 I/O接口8255A為核心，并配以適當(dāng)?shù)耐鈬涌陔娐?，?shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)檢測(cè)與控制.設(shè)計(jì)了一種過(guò)零檢測(cè)電路，利用硬件方法實(shí)現(xiàn)普通雙向可控硅的同步過(guò)零觸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)．該控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、使用方便、測(cè)量控制精度高、工作穩(wěn)定可

2、靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)．控制采用PID數(shù)字增量型控制算法，并選取合理最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)控制程序則采用了模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、中斷服務(wù)子程序、控制算法子程序等。</p><p>　　Abstract: In this article，a new temperature control system of resistance furnace is designed ,which realizes circu

3、it check ,monitor and control of temperature of the multiple resistance furnaces. It is based on parallel interface 8255A chap and 8086 chap and combined with suitable peripheral circuit. This control system realizes zer

4、o - crossing detecting circuit and synchronous zero - crossing trigger of an ordinary bi - directional SCRof which the power output is adjustable. This system can mea</p><p>　　關(guān)鍵詞：PID算法；自動(dòng)控制；溫度控制; 熱電偶測(cè)溫; 模塊化

5、設(shè)計(jì)</p><p>　　key words：Algorithm of PID ;Auto control ;Temperature control; Thermocouple temperature measurement;Module program design</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在鋼鐵、機(jī)械

6、、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一;溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿足工藝過(guò)程的要求。</p><p>　　電阻爐溫度控制系統(tǒng)，無(wú)論是啟動(dòng)或設(shè)定值升降，還是各種擾動(dòng)影響，我們既希望時(shí)間上的快速性，也希望較平穩(wěn)動(dòng)態(tài)過(guò)程和精確的穩(wěn)態(tài)值。由于電阻爐的升溫保溫是靠電阻絲加熱，降溫則是靠環(huán)境自然冷卻，所以當(dāng)溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段來(lái)使其降溫。這類電

7、阻爐控制系統(tǒng)具有非線性，時(shí)滯以及不確定性。</p><p>　　單純的依靠傳統(tǒng)的控制方式或現(xiàn)代控制方式都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)以其邏輯簡(jiǎn)單、控制靈活、使用方便及性能價(jià)格比高的優(yōu)點(diǎn)得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。它不僅在航空、航天、鐵路交通、冶金，電力、電訊、石油化工等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，而且其技術(shù)在日常生活小諸如電

8、梯、微波爐、電冰箱、電視機(jī)、智能照相機(jī)、電動(dòng)玩具、全/半自動(dòng)洗衣機(jī)、智能空調(diào)、攜帶式心臟監(jiān)護(hù)機(jī)等高科技產(chǎn)品中也具有廣闊的使用前景，尤其是許多智能儀表和測(cè)控系統(tǒng)中引入電腦控制技術(shù)后，使傳統(tǒng)儀器、儀表設(shè)備發(fā)生了根本變化，為工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制的一個(gè)最基本課題，因?yàn)闇囟仁窃谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中是極為普遍且又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過(guò)

9、程安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，節(jié)約能源，對(duì)各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動(dòng)或爐內(nèi)物體而變化:或者要求有的電爐爐溫根據(jù)工藝條件，按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。因此，對(duì)溫度不僅要不斷地測(cè)量，而且要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。加熱爐作為一種應(yīng)用特別廣泛的熱工設(shè)備之一。盡管它所用的加熱方法不同，例如煤、煤氣、天然氣、油、電等，或工藝要求不同，溫度有高低、精度也有差異，但作為被控參數(shù)之一的溫度總是可用不同的測(cè)溫元件和不同的

10、方法來(lái)獲得，并通過(guò)微型計(jì)算機(jī)加以處理和控制，并按一定溫度曲線工作，以滿足生產(chǎn)需要。 </p><p>　　一 溫度控制系統(tǒng)的基本介紹 </p><p>　　1.1溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況</p><p>　　溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域．如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同，傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用，但

11、由于繼電器動(dòng)作頻繁，可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作．也有提出改進(jìn)的電路，采用主回路無(wú)觸點(diǎn)控制，克服繼電器接觸不良的缺點(diǎn)，且維修方便，缺點(diǎn)是溫度控制范圍小，精度不高．下面簡(jiǎn)單介紹一下最近幾年溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展情況。</p><p>　　PID溫控：由于目前，工業(yè)中的溫度控制對(duì)象，往往具有非線性、大時(shí)滯、時(shí)變、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，采用常規(guī)PID控制效果不理想，不能滿足系統(tǒng)在不同條件下對(duì)參數(shù)自整定的要求，從而影響其控制效果進(jìn)

12、一步提高．模糊控制是一種語(yǔ)言控制，不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)參數(shù)變化不敏感，具有很好的魯棒性。由于模糊控制易受模糊規(guī)則有限等級(jí)的限制而引起誤差．因此, 我們將模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合, 使預(yù)測(cè)控制符合工業(yè)過(guò)程的實(shí)際要求。設(shè)計(jì)基于預(yù)測(cè)的模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)的主要思想是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上, 采用模糊推理思想, 對(duì)算法控制器進(jìn)行改進(jìn), 根據(jù)不同的E和EC實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定的溫度調(diào)節(jié)器; 并且在此基礎(chǔ)上, 還增加了對(duì)非線性、

13、時(shí)變性、有滯后性的復(fù)雜溫控對(duì)象的預(yù)測(cè)控制技術(shù)的研究, 大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2節(jié)將重點(diǎn)介紹PID算法。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù)，是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法各異，其中誤差反向傳播算法．即BP算法．應(yīng)用最為廣泛．溫度控制系統(tǒng)由

14、于負(fù)載的變化以及外界干擾因素復(fù)雜，而 PID 控制只能對(duì)電參數(shù)的影響做精確的計(jì)算，對(duì)于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，影響控制精度．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線映射，自組織，自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模．該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)．</p><p>　　模糊控制：模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過(guò)程的控制算法，主要憑嵌入式操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)知識(shí)．它適用于控

15、制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)象．員的經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，非常容易應(yīng)用．模糊溫控的實(shí)現(xiàn):：1 將溫控對(duì)象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，例如，如果溫度太高或者溫度正在上升，就減少控制輸入，或風(fēng)冷．將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語(yǔ)句，形成模糊模型．2 根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法．3 對(duì)溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精

16、確量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的．同傳統(tǒng)的PID 控制比較，模糊控制響應(yīng)快，超調(diào)量小，參數(shù)變化不敏感．</p><p>　　1.2 PID算法的基本理論</p><p>　　根據(jù)偏差的比例(P)，積分((I)，微分(D)進(jìn)行控制，簡(jiǎn)稱PID控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律．PID(比例一積分一微分)控制器對(duì)于過(guò)程控制是一種比較理想的控制器．在工業(yè)控制應(yīng)用

17、中，特別是在過(guò)程控制領(lǐng)域當(dāng)中，被控參數(shù)主要是溫度、壓力、流量、物位等，盡管各種高級(jí)控制(如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制等)不斷完善，但是，在過(guò)去的50多年中，對(duì)PID控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用己經(jīng)擁有了許多的經(jīng)驗(yàn)，而且，在SISO控制系統(tǒng)中，用的絕大部分控制器都是PID控制器(80%以上)。有許多通用的PID控制器產(chǎn)品，對(duì)于不同的被控對(duì)象，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)，就可以使控制系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。PID控制器獲得成功的一個(gè)重要原因，就是

18、在工業(yè)過(guò)程控制中，PID控制器的動(dòng)作行為與人對(duì)外界刺激的自然反應(yīng)非常相似。也就是說(shuō)，PID控制器結(jié)合了人的自發(fā)性動(dòng)作(比例動(dòng)作)、以往的經(jīng)驗(yàn)(積分動(dòng)作)、根據(jù)趨勢(shì)所做的對(duì)未來(lái)的推測(cè)(微分動(dòng)作)的效果。</p><p>　　PID控制的特點(diǎn)是：原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作可靠，使用方便;適應(yīng)性強(qiáng)，可以用于各種工業(yè)的過(guò)程控制，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，消除穩(wěn)態(tài)誤差;大大增強(qiáng)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，大大提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制

19、所起的作用，不是P，I，D三種作用的簡(jiǎn)單疊加，而是三種作用的相互促進(jìn)。另外，如果純延遲時(shí)間大于時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)的相關(guān)階數(shù)超過(guò)二階，那么PID控制器可能不是最好的選擇，這時(shí)應(yīng)該采用更高級(jí)的控制器。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)給定的控制系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制過(guò)程，必須通過(guò)選擇合適的P，I，D控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。整定控制器的參數(shù)，是提高控制質(zhì)量的主要途徑。當(dāng)控制器參數(shù)整定好并且投運(yùn)系統(tǒng)以后，被調(diào)參數(shù)可以穩(wěn)定在工藝要求的范圍

20、之內(nèi)，就可以認(rèn)為控制器的參數(shù)整定好了。</p><p>　　選擇合適的P，I，D控制參數(shù)可以采用兩種方法：理論計(jì)算整定法與通過(guò)在線實(shí)驗(yàn)的工程整定法。因?yàn)楣こ陶ǚê?jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算簡(jiǎn)便，容易掌握，可以解決一般的實(shí)際問(wèn)題，所以一般采用工程整定法。目前，常用的工程整定法有Ziegler-Nichols整定法，Cohen-Coon整定法等。</p><p>　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常采用的PID數(shù)字控

21、制規(guī)律為:</p><p>　　式中，e(t)為偏差，e(t)=r(t)-y(t)，即:偏差二給定值一測(cè)量值</p><p>　　Kp為比例增益，Kp與比例成倒數(shù)關(guān)系，即Kp=1 / ;</p><p>　　Ti為時(shí)間積分常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);</p><p>　　u(t)為控制量，即調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號(hào)。</p>&l

22、t;p>　　對(duì)應(yīng)的模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:</p><p>　　式中，U(s)和E(s)分別為u和e的拉氏變換。</p><p>　　比例控制能夠迅速反映誤差，從而減少誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kp的加大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定;積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制就不斷地積累輸出控制量，以消除誤差，因此，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將完全消除誤差;微分控制可以減少超

23、調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，把控制規(guī)律變換成差分方程:</p><p><b>　　(積分用求和代替)</b></p><p><b>　　(微分用差分代替)</b></p><p>

24、　　其中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。</p><p>　　數(shù)字PID控制算式為:</p><p>　　位置型控制算法不夠方便，要積累偏差，不便于編寫程序，為此，對(duì)上式進(jìn)</p><p><b>　　行改進(jìn):</b></p><p>　　兩式相減，得到PID增量型控制算式</p><p>　　u(

25、k)= u(k)一u(k-1)</p><p>　　=Kp [e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]</p><p><b>　　稱為比例增益;</b></p><p><b>　　稱為積分系數(shù)</b></p><p><b>　　稱為微分

26、系數(shù)。</b></p><p>　　為了便于編程，將其整理為:</p><p>　　其中 </p><p>　　二 溫度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1系統(tǒng)的總體說(shuō)明</p><p>　　本溫度控制系統(tǒng)主要由顯示電路，主控制電路，報(bào)警點(diǎn)路，接口轉(zhuǎn)換電路，溫度傳感電路等組成。

27、</p><p>　　主控制電路由微處理器及其外圍電路組成，是溫度控制系統(tǒng)的核心部分。主處理器采用Intel公司的8086微處理器，處理器及其外圍電路共同完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸和處理。處理器對(duì)信號(hào)調(diào)理電路采集進(jìn)來(lái)的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，由控制算法得到的數(shù)字控制量通過(guò)信號(hào)輸出電路轉(zhuǎn)換后對(duì)溫度進(jìn)行控制;處理器將要保存的歷史數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。</p><p>　　2. 2 硬

28、件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則</p><p>　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則：</p><p>　　(1) 穩(wěn)定性和可靠性：模擬量輸入級(jí)的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，必須從一開(kāi)始就要考慮應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況，采取抗干擾措施，注意元器件的老化和篩選并選擇恰當(dāng)?shù)挠布?shù)，防止串?dāng)_及誤差的積累與擴(kuò)展。整個(gè)設(shè)計(jì)充分考慮簡(jiǎn)化硬件電路(部分硬件軟化)，使用集成度高的元器件，提高器件組裝密度，以增加系統(tǒng)抗干擾性能，達(dá)到高

29、的穩(wěn)定性和可靠性。</p><p>　　(2) 速度與精度：根據(jù)所給的整機(jī)誤差限值，按一定的規(guī)則預(yù)分配各個(gè)部件模塊所允許的誤差。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)分配的允許誤差選定電路結(jié)構(gòu)、元器件性能。</p><p>　　(3) 功耗與大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ):功耗是硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)

30、設(shè)計(jì)的要求，可以畫出系統(tǒng)的整體框圖如圖1.1：</p><p>　　圖 1.1系統(tǒng)構(gòu)成示意圖</p><p>　　由微機(jī)控制的多臺(tái)電阻爐溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成如上圖所示，圖中由檢測(cè)轉(zhuǎn)換裝置，多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051，A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A 及 8255A 構(gòu)成輸入通道，用于采集多個(gè)電阻爐的溫度信號(hào)．其中檢測(cè)轉(zhuǎn)換裝置由熱電偶與 AD595 熱電偶放大器構(gòu)成．輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器DAC08

31、32，多路分配器CD4051，光電耦合器以及雙向可控硅控制電路構(gòu)成．系統(tǒng)的工作過(guò)程即：溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)熱電偶轉(zhuǎn)換成毫伏數(shù)量級(jí)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) AD595A 將熱電偶信號(hào) （毫伏電壓信號(hào)） 放大為 0 - 5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)．以供A/D轉(zhuǎn)換用．A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)8255A送入微處理器，與爐溫的給定值數(shù)字化量進(jìn)行比較．爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入后．按照一定的規(guī)律，本系統(tǒng)中用到的是 PID 控制規(guī)律運(yùn)算，輸出控制量，由 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬

32、信號(hào)，經(jīng)過(guò)多路分配器 CD4051，并由 8255A 輸出一個(gè)控制信號(hào)，與雙向可控硅控制電路配合來(lái)控制每臺(tái)電阻爐的爐溫．</p><p><b>　　三 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1主要芯片介紹</b></p><p>　?。?）8086微處理器芯片</p><p>　　

33、8086微處理器是Intel公司的全16位微處理器。它由兩個(gè)處理器組成，一個(gè)是上半部分的總線接口部件BIU，一個(gè)是下半部分的執(zhí)行部件EU。二者各受獨(dú)立的控制，有相同的時(shí)鐘但工作時(shí)并不同步。BIU的組成包括形成地址的段寄存器及加法器、程序計(jì)數(shù)器PC、實(shí)現(xiàn)BIU與EU通信的地址寄存器JND及數(shù)據(jù)寄存器OPR、指令隊(duì)列Q及其控制、BIU的定時(shí)(周期判決及狀態(tài)控制)以及系統(tǒng)控制信號(hào)(即外部接口電路)。</p><p>　

34、　BIU的功能是管理所有外部周期，包括取指令、讀取數(shù)據(jù)以及寫數(shù)據(jù)。為此，它就要操作程序計(jì)數(shù)器PC及段寄存器，把適當(dāng)?shù)亩渭拇嫫髯笠?位后加到EU計(jì)算出來(lái)并給出的16位基本地址上，從而形成20位的物理地址。此外，對(duì)于6字節(jié)的指令隊(duì)列Q只要有兩個(gè)以上的空位，它便自動(dòng)取指并將其填滿。</p><p>　　EU由邏輯控制部分、微程序控制器、中斷電路、運(yùn)算器及主寄存器組幾大部分組成。 EU的功能是執(zhí)行所有指令、復(fù)位及中

35、斷序列，包括譯碼及操作。此外，它還為BIU準(zhǔn)備1G位的基本地址，對(duì)主寄存器組及標(biāo)志寄存器PSW進(jìn)行操作與控制。</p><p>　　BIU與EU通過(guò)ALU總線、S總線、D總線及Q總線進(jìn)行通信。其中通過(guò)ALU,S, D總線傳送16位的基本地址或數(shù)據(jù)，通過(guò)Q總線將指令隊(duì)列Q中的指令送入EU進(jìn)行譯碼并執(zhí)行。</p><p>　　8086的指令系統(tǒng)在原有8080/8085的基礎(chǔ)上作了很大的改進(jìn)與擴(kuò)

36、充。它既保持了兼容性，又為了方便于高級(jí)語(yǔ)言的編譯，注意了指令的對(duì)稱性，由面向累加器型的機(jī)器轉(zhuǎn)</p><p>　　為面向寄存器的機(jī)器。OV06的指令系統(tǒng)增加了一些功能很強(qiáng)的指令，包括乘、除法、字符串操作及協(xié)調(diào)多機(jī)系統(tǒng)的指令等。</p><p>　　8086的EU要實(shí)現(xiàn)整個(gè)指令系統(tǒng)的譯碼、控制及執(zhí)行。為了既便于采用CAD技</p><p>　　術(shù)、又要盡量壓縮空間及提

37、高速度，而采用了微程序一一隨機(jī)邏輯聯(lián)合控制但以微程序控制為主的方案。</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器介紹</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)算比較型，逐次逼近性，雙積分型等多種形式。因逐次逼近法變換速度比較快，所以在集成化的A/D器件中普遍采用這種類型AD574A是 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大是 35μs，轉(zhuǎn)換精度 ≤0. 05 %。AD574A片內(nèi)配有

38、三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8 位或16 位的微處理器連接，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與 CMOS及 TTL 電平兼容。由于AD574A片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。</p><p>　　（3）CD4051芯片</p><p>　　CD4051是單八路模擬開(kāi)關(guān)。CD4051引腳功能見(jiàn)

39、表1.1。CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來(lái)決定。其真值表見(jiàn)表1?！癐NH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰－峰值達(dá)15V的交流信號(hào)。例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當(dāng)VEE

40、=－5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加0～5V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號(hào)。</p><p><b>　　表1.1</b></p><p>　　3.2 溫度控制系統(tǒng)的輸入通道</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)的輸入通道由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:檢測(cè)轉(zhuǎn)換裝置、多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051、A/D 轉(zhuǎn)換器AD574A、并行 I/O

41、接口 8255A 組成. 構(gòu)成框圖如圖１.２所示.</p><p>　　圖1.2輸入通道示意圖</p><p>　　其中檢測(cè)轉(zhuǎn)換裝置由 8 個(gè)熱電偶以及8 片熱電偶放大器 AD595 組成，選擇 K型熱電偶即鎳絡(luò)，鎳硅作為測(cè)溫傳感器，它線性度較好，熱電勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)較好.AD595 熱電偶放大器是一種將線性化和基準(zhǔn)點(diǎn)補(bǔ)償問(wèn)題集中在一個(gè)芯片上解決的具有對(duì)應(yīng)熱電偶電勢(shì)輸出的專

42、用放大器.AD595 具有熱電偶信號(hào)放大和冰點(diǎn)補(bǔ)償雙重功能。8 路溫度信號(hào)經(jīng) 8個(gè)熱電偶轉(zhuǎn)換為毫伏信號(hào) ,分別由 8 片 AD595 的第1 ,14 腳引入 ,經(jīng)過(guò)AD595 放大為0 - 5V的電壓信號(hào) ,再由AD595 的第8 ,9 腳相連輸出 ,直接接入多路模擬開(kāi)關(guān) CD4051的 X0 - X7 口.由 8255A 的控制 CD4051的選通地址 ,即由 8255A 的控制口 C口的 PC0、PC1、PC2 分別接CD4051的

43、A、B、C三個(gè)口 ,PC6 接 CD4051 的 INH端.經(jīng)過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)后選通一路模擬信號(hào)由AΠD轉(zhuǎn)換器AD574A的13腳即10V IN端接入 ,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由并行 I/O 接口 8255A 的 8 位輸入端口 ,經(jīng)由總線收發(fā)器8286 引入8086CPU.芯片連接見(jiàn)</p><p>　　圖1.3 輸入通道連接圖</p><p>　　由于本系統(tǒng)既要顯示、報(bào)警，又要進(jìn)行控制

44、，其任務(wù)比較多，因此，光靠主機(jī)原來(lái)的接口是不夠的，故采用 8255A 擴(kuò)展 PC 機(jī)控制功能。IN2TEL8255A 是一種通用的可編程并行 IΠO 接口芯片，是專為 INTEL 公司微處理器設(shè)計(jì)的。它具有可用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能、通用性強(qiáng)、使用靈活的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用8255A 可編程的特點(diǎn)，作為微處理器與電阻爐的中間橋梁，擴(kuò)展PC機(jī)控制功能。以8臺(tái)電阻爐為例，8255A負(fù)責(zé)8路信號(hào)的輸入控制，分時(shí)接入8 路溫度信號(hào)，送入 PC機(jī)處理。根

45、據(jù)爐溫的實(shí)際值與給定值間偏差 PC機(jī)運(yùn)算結(jié)果，由8255A輸出一個(gè)控制信號(hào)，與可控硅控制電路配合來(lái)控制每臺(tái)電阻爐的爐溫。8255A 總線緩沖器D0 - D7 與 CPU 的數(shù)據(jù)總線 DB0 - DB7 通過(guò)地址鎖存器8282 相連，8255A 的RD、WR與 CPU 的RD、WR直接相連，復(fù)位信號(hào) RESET直接接在 CPU 的復(fù)位號(hào) RESET 上。由 8255A 的接線方式可知，A口對(duì)應(yīng)的端口地址為：F1H，B 口對(duì)應(yīng)的端口地址為：

46、F3H，C 口對(duì)應(yīng)的端口地址為：F5H，控制端口對(duì)應(yīng)的地址為：F7H。8255有三</p><p>　　3.3溫度控制系統(tǒng)的輸出通道</p><p>　　輸出通道是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)，它們的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量.這溫度控制系統(tǒng)中的輸出通道由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832、多路分配器CD4051、光電耦合器、雙向可控硅控制電路。構(gòu)成框圖如圖1.4所示：</

47、p><p>　　圖 1.4 輸出通道示意圖</p><p>　　由8086CPU 計(jì)算得到的控制信號(hào)為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832轉(zhuǎn)換后得到模擬量（電流信號(hào)），由DAC0832的第11、12 腳轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，接入多路分配器 CD4051，由并行接口8255A的C口選定輸出到 X0 - X7中的一路.并經(jīng)過(guò)光電耦合器的隔離，與過(guò)零脈沖觸發(fā)器MC14528一起觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，到

48、達(dá)控制爐溫的目的。</p><p>　　本系統(tǒng)中溫度控制電路采用可控硅調(diào)控方式，雙向可控硅與 50Hz 交流電源和電阻爐串聯(lián)?？刂齐娐凡捎昧穗p向可控硅，使溫度控制在無(wú)觸點(diǎn)情況下進(jìn)行，電爐的輸入功率不受通斷頻率限制，因而易于實(shí)現(xiàn)電阻加熱爐的輸入功率的連續(xù)調(diào)節(jié)和爐溫的連續(xù)控制，提高了控制質(zhì)量.</p><p>　　雙向可控硅要實(shí)現(xiàn)功率控制，關(guān)鍵有兩點(diǎn)：過(guò)零信號(hào)的檢測(cè)和同步觸發(fā)；正比于輸出信號(hào)的

49、輸入信號(hào)的控制。輸入信號(hào)通過(guò)光電耦合器件與同步過(guò)零信號(hào)一起控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止，從而起到控制較大功率負(fù)載的作用。利用光電隔離實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離.故本溫度控制系統(tǒng)的控制電路主要由光電耦合器、過(guò)零觸發(fā)電路、雙向可控硅組成。由多路分配器CD4051出來(lái)的控制信號(hào)與過(guò)零觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖信號(hào)同時(shí)有效(通過(guò)與門來(lái)實(shí)現(xiàn))，來(lái)控制雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制爐溫.通過(guò)光電耦合器來(lái)隔離加熱系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)。</p><p&g

50、t;　　以往通過(guò)控制雙向可控硅導(dǎo)通角來(lái)改變流過(guò)可控硅的電流，從而改變輸出功率；但這樣得到的電壓波形并非正弦波，對(duì)電網(wǎng)會(huì)形成較大的危害。本設(shè)計(jì)采用向可控硅過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，如圖1.5所示。CD4051輸出0觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)反向器74LS00驅(qū)動(dòng)(光電偶合器TLP521-1起控制門和強(qiáng)、弱電隔離作用)，再經(jīng)功率放大后加到雙向可控硅的控制端上。由于加熱元件(電阻絲)在冷態(tài)時(shí)電阻很小，啟動(dòng)電流大，故本電路比采用固態(tài)繼電器更便于系統(tǒng)啟動(dòng)，經(jīng)濟(jì)性也十分明顯

51、。</p><p>　　圖1.5 過(guò)零觸發(fā)電路</p><p>　　四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1軟件的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　控制系統(tǒng)對(duì)軟件的要求：1 實(shí)時(shí)性。由于工業(yè)控制是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以對(duì)軟件的要求是具有實(shí)時(shí)性，即能夠在對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，計(jì)算和處理。特別是對(duì)于多回路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更應(yīng)引起高度注意

52、。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，往往采取中斷的方式。2 針對(duì)性。程序的一個(gè)最大的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的針對(duì)性。即每個(gè)程序都是根據(jù)一個(gè)具體系統(tǒng)的要求來(lái)設(shè)計(jì)。本溫度控制程序就是針對(duì)溫度測(cè)量計(jì)算控制的程序。3 靈活性和通用性。一個(gè)好的程序不僅要針對(duì)性強(qiáng)，而且又有一定的靈活性和通用性。即能夠適應(yīng)不同系統(tǒng)要求。為此，本系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，盡量把共同的程序編寫成具有不同功能的子程序，如算術(shù)及邏輯運(yùn)算程序，A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序，延時(shí)程序，PID算法程序等等。&

53、lt;/p><p>　　程序的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于簡(jiǎn)單的程序，我們應(yīng)用直接設(shè)計(jì)法便可以一目了然，但對(duì)于復(fù)雜的，大型程序，設(shè)計(jì)起來(lái)就不那么簡(jiǎn)單，應(yīng)當(dāng)采用一定的方法和結(jié)構(gòu)，以便問(wèn)題簡(jiǎn)單化。在微型機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可以分為數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制兩大基本類型。數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變幻以及數(shù)值計(jì)算等。過(guò)程控制程序主要是使微型機(jī)按照一定的方法（如PID直接數(shù)字控制）進(jìn)行計(jì)算，然后輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任

54、務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)程序分成若干部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是能完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段。本溫度控制系統(tǒng)就采用這樣的模塊設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　4.2 程序控制原理 </p><p>　　控制系統(tǒng)的軟件主要包括采樣，計(jì)算偏差，PID算法，控制計(jì)算，控制輸出，計(jì)時(shí)，顯示，報(bào)警，調(diào)節(jié)參數(shù)修改，溫度給定曲線的設(shè)定和修改等功能。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊

55、化技術(shù)。</p><p>　　通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法，即PID控制。其原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值e(t)=r(t)-y(t)，然后對(duì)偏差值處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該電阻爐溫控系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，如圖1.6所示：</p><p>　　圖 1.6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　:這樣進(jìn)一

56、步利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活多樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算分析等來(lái)確定出系統(tǒng)中被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，即脈沖傳遞函數(shù)G (S)，同時(shí)還要設(shè)計(jì)出數(shù)字PID控制器D (Z)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行妨真，優(yōu)化和整定。</p><p>　　4.3 主程序模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用雙重中斷的方法，即首先由 8086定時(shí)10 秒鐘產(chǎn)生一重中斷，在此中斷服務(wù)程序中用來(lái)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換、采樣、數(shù)

57、字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)字控制計(jì)算、輸出及數(shù)據(jù)顯示。在此中斷服務(wù)程序中，又有一重中斷，即 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束所引起的中斷，此中斷服務(wù)程序主要是用來(lái)進(jìn)行采樣，然后又返回到中斷服務(wù)程序，因此，叫做雙重中斷，其目的是節(jié)省轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，以提高微型機(jī)的效率，特別是當(dāng)控制回路比較多時(shí)，這種方法更為有效。</p><p>　　主程序是本系統(tǒng)的監(jiān)控程序，用戶可以通過(guò)監(jiān)控程序檢控系統(tǒng)的工作。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并設(shè)置有關(guān)標(biāo)志。然后

58、，系統(tǒng)自檢，開(kāi)中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。其相應(yīng)的框圖如圖1.7所示：</p><p>　　圖1.7 主程序流程圖</p><p>　　4.4 中斷服務(wù)程序模塊</p><p>　　溫度的變化由熱電偶和運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)作為輸入通道的輸入信號(hào)。當(dāng)CPU發(fā)出采樣和轉(zhuǎn)換信號(hào)后，A/D轉(zhuǎn)換器就把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，并向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，采用數(shù)字中值濾波

59、，當(dāng)輸入三個(gè)溫度數(shù)據(jù)后，便由CPU處理并進(jìn)行有效性的檢驗(yàn)，檢查是否越限，若情況正常由BCD碼轉(zhuǎn)換子程序在顯示器上顯示出溫度值。同時(shí)CPU檢查是否由上下限越限，根據(jù)給定值和實(shí)測(cè)值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，由模擬量輸出通道把數(shù)字量的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓控制信號(hào)，經(jīng)可控硅觸發(fā)電路和加熱裝置，控制加熱功率，使溫度控制在所要求的范圍之內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其流程圖如下:</p><p>　　圖1.8 中斷服務(wù)程序流程圖</p&g

60、t;<p>　　4.5 控制算法程序模塊</p><p>　　采用增量PID算法時(shí)</p><p>　　u(k)= u(k)一u(k-1)</p><p>　　=Kp [e(k)-e(k-1)]+Ki*e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器12位，最高位為符號(hào)位，D/A轉(zhuǎn)換器為

61、12位，程序采用雙字節(jié)</p><p>　　PID算法流程圖如下:</p><p>　　圖1.9 PID算法流程圖</p><p><b>　　四 總結(jié)</b></p><p>　　本文系統(tǒng)原理并不高深，但具體做起來(lái)，還是有一些預(yù)想不到的問(wèn)題。譬如在硬件設(shè)計(jì)方面，由于電阻爐的大小體積不一樣，所選用的硬件性能指標(biāo)就有一定的