论文二 - 图文
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武汉工程大学毕业设计(论文)说明书
电热水暖微机恒温控制系统
摘要:本文设计了电热水暖微机恒温控制系统,考虑到目前市场上存在的家庭采暖设
备控制精度不高,执行器件动作时噪音太大给用户带来的不便。本系统采用单片机AT89C51、串行A/D转换器ADC0832和高精度数字温度传感器18B20构成具有电压前馈的单回路闭环控制系统,用固态继电器作为控制开关、用PID控制器实现开关控制结合PWM脉宽调制的调功方式,达到了无噪声高精度的控制效果。同时简单介绍了键盘显示专用芯片HD7279,最新单总线形式数字温度传感器DS18B20的硬件连接方法和软件的C51编程实现方法。
本次设计优点很多,该系统硬件成本低,控制精度高,在10到90℃内达到了±0.5℃,并且实现了温度值在设定范围内的连续可调,抗干扰能力强,技术实施方案简单、易行、实用并具有通用性。该系统既可满足家庭用户对电热式水循环采暖设备的要求,也可以满足控制工程等课程的实验、实习和课程设计的要求,具有实际推广应用价值。
关键词:PID调功控制 单片机 电压前馈 A/D转换 单回路
I
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Electric heating hot-water heat microcomputer constant
temperature control system
Abstract: This text discusses the design of single-phase electrothermic water-warm
homothermal control system.
In consideration of the inconvenience that brings by the present household heating equipment on the market exists low control accuracy and too loud noise when the actuator is in action。This system adopts MCU AT89C51、serial A/D converter ADC0832 and high accuracy digital temperature sensor 18B20 constitute the single circulation closed-loop control system with voltage feedforward, uses solid-state relay as control switch, brings the conditioning power method of switch control conjunct PWM vein breadth modulation into realization by PID controller ,it reaches the control effect of noisefree and high accuracy. At the meantime, it simply introduces the keyset display tailormade chip HD7279, the hardware junction method of updated unibus formal digital temperature sensor DS18B20 and C51 programming realizing way of software.
The result of experiment shows that the hardware cost of the system is low, control accuracy is high, which reaches ±0.5℃ in 10-90 ℃, and it actualizes succession adjustable of temperature value in the enactment range. Its anti- interference ability is strong, the technique actualize scheme is simple, liable to carry out, practical and has the in general use also. The system not only can satisfy domestic users’ demand of electrothermic water circulation heating equipment, but also can satisfy the requirement of course experiment, practice and course design of the MCU, microcomputer control course of electrician ,it has the actual expansion and application value.
Keywords: PID control; single Chip; voltage feed-forward; A/D convert; Single-Loop
II
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目 录
前言 .................................................................. 1 一 微机恒温控制系统的控制方案拟订 ..................................... 2 1 微机恒温控制系统设计目标 ............................................ 2 2 微机恒温控制系统控制算法的选择 ...................................... 3 二 微机恒温控制系统数学模型的分析 ..................................... 5 1 PID算法分析 ......................................................... 5 2 微机恒温控制系统离散化方块图 ........................................ 7 3 PID算法数字化 ....................................................... 8 4 微机恒温控制系统数字化具体实现 ...................................... 9 5 数字PID调节中的几个问题的解决 ..................................... 11 6 系统最终方案的确立 ................................................. 13 三 微机恒温控制系统的硬件设计过程 .................................... 14 1 温度传感器DS18B20 .................................................. 14 2 前馈电压A/D转换器选择 ............................................. 19 3 单片机型号的选择 ................................................... 20 4 键盘与显示的选择 ................................................... 23 5 看门狗电路 ......................................................... 24 6 执行器件选型 ....................................................... 26 四 微机恒温控制系统的软件设计 ....................................... 28 1 微机恒温控制系统软件流程图 ......................................... 28 2 系统各个功能模块的编程实现 ......................................... 29 3 编程中的特点 ....................................................... 37 五 微机恒温控制系统的上位机软件设计 .................................. 39 六 微机恒温控制系统的测试与实验处理 .................................. 41 1 系统投运实验 ....................................................... 41 2 PID参数整定 ........................................................ 41 3 实验结果分析 ....................................................... 43
III
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七 总结 ............................................................. 46 致谢 ................................................................. 47 附录1 系统硬件原理图 ................................................. 48 附录2 PID控制程序 ................................................... 50 参考文献 ............................................................. 77
IV
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前 言
一年四季春夏秋冬,每个季节有每个季节的过法。春季和秋季是最舒服的季节,夏季热是很显然的,冬季是最冷的。我们就说冬季,一到冬天,全国各地都要碰到取暖这个问题,并且取暖的方式基本是集中供热的方式。它的热源固定,并且供热的面积比较大,一般是以小区为单位,而且能够24小时不间断供暖,可以算得上是比较方便实惠。但也存在许多的问题,如供热不及时、能源浪费、中途能量损耗大、污染严重、收费一刀切、特别是不便于分散居民使用等。近些年来,随着人们的生活水平不断提高,人们对生活品质需求也越来越高,又由于电力资源的不断丰富,电费价格下降,许多用户开始用起了独立的家庭电热取暖器,这也满足了人们对家用产品的方便、灵活、卫生、安全和经济的要求。所以近些年来,这种小型的家庭用的电热水暖系统是越来越受人们的青睐。
然而与此同时,也存在很多的问题,经过市场调查发现 :1)目前市场上可以看到的家庭水暖系统大多数是用非常简单的开关控制,并且还没有做到恒温控制;2)所用的交流接触器所带来的噪声污染令顾客十分不满意。
对以上问题,我们于是开设了此课题,来解决家庭电热采暖器设计的不足们以恒热(EVERHOT)公司生产的CSFL060型家庭采暖/热水一机两用型机为例,对其控制电路进行改进,来完成本次课题的设计。
在此系统中,我们要解决的是采暖回路的工作,要控制的效果就是控制加热炉膛内水温,让其恒定在一个固定值上,以达到恒温控制的效果;采用新型执行器件消除系统带来的噪声问题。
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一 微机恒温控制系统的控制方案拟订
本次设计主要是为解决好家庭电热水暖车自动控制系统中使用交流接触器带来的噪声污染问题和恒温控制问题。经市场调查发现证实,现在市场上出现的家庭电热水暖系统所用的大多是用十分简单的开关控制,并且没有做到恒温控制,所用的交流接触器所带来的噪声让人难以忍受,用户很不满意,对这样的噪声污染意见很大。我们以恒热(EVERHOT)公司生产的CSFL060型家庭采暖/热水一机两用型机为例,对其控制电路进行改进,来实现本次课题的设计。
针对广大客户提出的要求,我们对其进行改造设计开设本课题,来改进恒热公司生产的家庭水暖恒温自动控制系统。本课题设计主要实现的功能就是:要将系统原来简单开关控制的方法做改进,并且做到恒温控制,消除交流接触器所带来的噪声污染。
家庭采暖系统CSFL060特性:额定容积60L,额定功率10.8kW,最大采暖面积 150m2,供电电源为三相交流380V,采暖水温调节范围是10~80℃。
1 微机恒温控制系统设计目标
针对广大客户的要求,及家庭采暖系统CSFL060的一些特征,我们设计改造出一套微机恒温控制系统,于是拟订了一套想通过本次设计能解决的一些实际的问题。
1)对家庭采暖自动控制系统CSFL060改进期望目标:用固态继电器达到无触点式 控制,消除了噪声。
2)用PID算法来实现恒温控制,控制精度可达到±0.4℃。 3)系统对水温控制的恒定温度在8-80℃范围内,能做到连续可调。 4)故障提示音报警,对各检测元件故障可做出不同方式的声音报警。 5)装置通用性强,可用于多种对水的电热恒温控制。 6)PID参数连续可调,人机界面友好。
7)装置可将温度数据通过串口送到上位机,上位机软件可将接收到的数据存贮并可显示温度变化曲线。在控制效果上要能做到自动控制系统所要求的快、准、稳,并且有着广泛的市场前景。通过查阅各种相关资料,反复思考,初步确定系统总体方案框图如下图1-1所示。
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温度检测电路 A/D变换电路 单片机 光电隔离 加热 控制电路 电压前馈电路 上位机监视 键盘显示 故障报警电路
图 1-1 系统整体框图
2 微机恒温控制系统控制算法的选择
目前我们了解较多的控制算法有三种:1.直接数字控制;2.数字化PID控制;3模糊控制。对于我们这个小系统,其数学模型很难建立,用DDC算法是很难实现的,模糊控制更是需要大量的实验数据来寻找模糊控制规律,所以最好还是选用数字化PID控制。数字化PID控制对于我们来说也十分熟悉,又不用对系统建立数学模型,实现的可能性要大得多,于是我们选择用数字化PID控制作为系统的控制算法。
所谓PID调节是根据实际测量值与设定值的偏差,按比例—积分—微分的函数关 系进行运算,将运算结果输出来控制被控对象。用PID控制系统如图1-2所示。
r(t) e(t) PID 被控对象 y(t)
图1-2 控制系统图
由于温度响应的滞后,即使采用PID控制,当电网电压波动较快时,温控精度仍受影响。电压前馈控制的原理是当电网电压下降或上升时,立即进行调整,使输出功率保持不变,也就是说使输出有效电压不变。于是加入电压前馈,系统原理如图1-3 所示。
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f 电压扰动 电压前馈 r(t) e(t) PID 被控对象 y(t)
图1-3 系统原理图
应用到实际,其控制系统组成方块图为图1-4如下图所示。
电压前馈 电压扰动f r(t) e(t) 单片机PID 控制器 控制网(固态 继电器) 三相电 加热炉 y(t) DS18B20温度传感器
图1-4 系统组成方块图
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二 微机恒温控制系统数学模型的分析
1 PID算法分析
PID调节器的控制输出微分方程表示式为:
P(t)?Kp[e(t)?1Ti?t0e(t)dt?TDde(t)dt] (2-1)
式中: P(t)—PID调节器的输出信号;
e(t)—PID调节器的偏差信号,它等于测量值与给定值之差;
Kp—PID调节器的比例系数;
Ti—PID调节器的积分时间;
TD —PID调节器的微分时间; PID调节器的传递函数为:
G(s)?kp?KpTis?KpTDS (2-2)
在PID调节器的微分方程与传递函数表达式中, Kp反映了比例调节器的作用。它决定了控制的强弱,只要有偏差就能及时地产生与之成比例的调节作用,具有调节及时的特点。比例调节器对阶跃输入的响应见图2-1(a)所示。比例调节器的特点是简单快速,但具有自平衡的控制对象有余差。为解决此问题,引入积分环节,其积分方程为Y?(1Tit)?e(t)d(t) , 传递函数为
01TiS。
积分作用的特点是调节器的输出与偏差存在的时间有关,只要偏差存在,输出就会随时间不断增长,直到偏差消除,调节器的输出才不再变化,因此积分作用能消除余差。
积分作用的阶跃响应曲线如图2-1(b)所示。如果把比例和积分两种合起来,就构成了PI调节器,PI调节器的输出趋于稳定值KiKpe(t)。由此可见,PI调节器既克服了单纯比例调节存在余差的特点,又避免了积分调节器响应慢的缺点。其静态和动态特性均得到了改善。但PI调节器有滞后现象,使系统的响应速度变慢,超调量变大,
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并可能产生振荡。如果在调节器中加入微分作用,可减小超调使系统趋于稳定。微分环节的方程为Y?TDde(t)/dt,传递函数为TDS。微分作用的响应曲线如图2-1(d)所示。在系统偏差刚刚出现,偏差值不大时,根据偏差变化的趋势(即变化速度),提前给出较大的调节作用,使偏差尽快消除。由于调节及时,可以大大减小系统的动态偏差及调节时间,从而使过程的动态品质得到改善。把比例和微分两种结合起来,构成了PD调节器,PD调节器的阶跃响应曲线如图e所示。当偏差刚一出现,PD调节器输出一个很大的阶跃信号,然后按指数下降,以至最后微分作用完全消失,变成一个纯比例调节。积分器能消除余差提高精度,但使系统的响应速度变慢,稳定性变坏。而微分器能增加稳定性。加快响应速度。比例器为基本环节。所以把三种作用组合起来,形成PID调节器,可实现稳定的控制。PID对阶跃信号的响应曲线如图2-1(f)所示。在阶跃信号作用下,首先是比例和微分作用,使调节作用加强,然后再进行积分,直到最后消除余差为止。因此,采用PID调节器无论从静态还是动态的角度来说,调节品质得到了改善。在单片机恒温控制系统中,采用PID调节,实现温度的恒值控制,能够满足系统的控制要求。
E(t) E(t) Y t Y t t t
图2-1(a) 比例响应曲线图 图2-1(d) 微分响应曲线图
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E(t) E(t) Y t Y t t t
图2-1(b) 积分响应曲线图 图2-1(e) PD响应曲线图
E(t) E(t) Y t Y t t
t
图2-1(c) PI响应曲线图 图2-1(f) PID响应曲线图
2 微机恒温控制系统离散化方块图
系统由于要由数字控制来实现,所以要对还系统进行一点改进,将其离散化,其方块图如图2-2。
电压前馈 f(k) 电压扰动f W E(k) 单片机PID 控制器 U(k) 控制网(固态 继电器) 三相电 加热炉 Y DS18B20温度传感器 Y(k)
图2-2 离散化方块图
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3 PID算法数字化
由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此,在计算机控制系统中,必须首先对前式(2-1)进行离散化处理,用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程,此时积分项和微分项可用求和及增量式表示:
?dtn0e(t)d(t)??E(j)?t?T?E(j)j?0j?0nn (2-4)
(2-5)
de(t)?E(k)?E(k?1)?t?E(k)?E(k?1)T将式(2-4)和式(2-5)代入式(2-1),则可得到离散的PID表达式:
?T?P(k)?KP?E(k)??TI???T??E(j)?E(k)?E(k?1)? (2-6) ?kDj?0T??式中?t=T 采样周期,必须使T足够小,才能保证系统有一定的精度;
E(k) 第k次采样时的偏差值; E(k-1) 第(k-1)次采样时的偏差值; K 采样序号,k=0,1,2;
P(k) 第k次采样时次采样时调节器的输出。
由式(2-6)的输出值与阀门开度的位置一一对应,因此,通常把式(2-6)称为位置型PID的位置控制算式。
由式(2-6)可以看出,要想计算P(k),不仅需要本次与上次的偏差信号E(k)和E(k-1),而且还要在积分项把历次的偏差信号E(j)进行相加,即?E(j)这样,不仅
J?0k计算繁琐,而且为保存E(j)还要占用很多内存。因此,用式(2-6)直接进行控制不是很好。因此,我们做如下改动。
根据递推原理,可写出(k-1)次的PID输出表达式:
?TP(k?1)?KP?E(k?1)?TI??E(j)?j?0rTDT?E(k?1)?E(k?2)?? (2-7)
??用式(2-6)减去式(2-7),可得
P(k)?P(k?1)?KP?E(k)?E(k?1)??KIE(k)?KD?E(k)?2E(k?1)?E(k?2)? (2-8)
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式中 KI?KPTTI 积分系数
KD?KPTDT微分系数
还有一种为增量型PID算法,其表达式也很简单,如下:
?P?P?k??P?k?1??KP?E(k)?E(k?1)??KIE(k)?KD?E(k)?2E(k?1)?E(k?2)? (2-9)
本系统实际上是一个位置型PID控制器,而不是增量型PID控制器所以选用(2-8)式作为系统的控制算法。
4 微机恒温控制系统数字化具体实现
(1) PID算法实现
考虑到系统实现的可行性,设计中采用(2-8)来实现PID运算,KP ,KI ,KD 由设定值:比例度P,积分时间I,微分时间D运算得来。
KP?1P
TTI (2-10)
(2-11)
KI?KP
KD?KPTDT (2-12)
用Kill C 编写PID运算核心式也十分简单,如下:
Pk?Pk_1?Kp?(Ek?Ek_1)?Ki?Ek?Kd?(Ek?2?Ek_1?Ek_2);
Pk_1=Pk; Ek_2=Ek_1;
Ek_1=Ek;
Pout=Pk;
在程序中只要设定输入控制参数P、I、D即可,温度可自行设定。
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(2) 电压前馈的实现
实际上,调功过程就是在脉冲周期内控制热功输出的时间,设额定电压为U0,实际电压为Ut,额定输出功率为P0,实际功率为Pt,理想时要输出的功为W0,有下列关系式:
P0?U02/R Pt?Ut2/R
W0?P0t
(2-13) (2-14)
(2-15)
(2-16)
W0?Pt(t?t')
由式(2-15)和(2-16)得:
P0t?Pt(t?t')
(2-17)
将(2-13)和(2-14)代入上式可得:
t?t('U02Ut2?1) (2-18)
则输出脉宽为:
tout?tPID?t补?tPID?tPID(U02/Ut2?1)
(2-19)
tout-脉宽时间
tPID-PID运算所得控制时间
(3) 调功输出的实现方法
由于系统的电加热炉为三相四线制接法,其单相对地的波形相同,为正弦波形式。我国电力供电是50Hz ,固态继电器多为过零型,则最小可准确到一个波头,1秒钟有一百个波头,我们取5秒钟为一个功率输出周期,我们控制的功率误差就是±1/500,即±0.2%,控制精度也就足够。也就是说,我们采用PWM脉冲调制输出方式,脉冲周期为5秒。其控制实现原理如图2-3所示。
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U t PWM T t
图2-3 控制实现原理图
实际控制效果没有原理图那么完美,PWM调制输出可能没问题,但脉宽中电平由低变为高电平时,电压波形不会正好在过零点,可能在两过零点之间,实际控制输出 的功率也就存在一定的误差,上面已经分析过存在的误差,最大有±0.2%的误差。但对本系统没有影响。
PWM在程序上的实现也很简单,用一个循环来输出周期脉冲,如下程序:
for(j=0;j
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