DOC《温度控制系统》

温度控制系统

一、实验目的 1.

掌握微机应用系统的硬件结构、组成、配置与综合调试技能. 2.掌握温度测量、数字PID控制及功率放大的基本原理和实现方法. 3.了解和熟悉完整的数据采集与控制系统的设计方法.

二、实验内容与要求 1.基本要求 用一电炉加热器皿中的水,目标温度在一定范围内由人工设定,并能在环境温度变化时实现自动调整使水温保持在设定值,温度误差要求≤1℃.采集到的温度值以十进制数数码实时显示, 2.提高要求 (1)在CRT上实时绘出温度变化曲线. (2)软件实现调功控制功能模块.

三、实验报告要求 实验目的和内容 总体设计 硬件设计:原理图(接线图)及简要说明 程序框图和清单 实验结果和体会 附:功放板和电炉接线原理图 温度控制系统

一、总体设计 (1)前向通道:采用AD590作温度传感器,双积分式A/D芯片MC14433提高抗干扰性. (2)后向通道:直接数字控制的周波数调功方式实现有特色的功率放大单元. (3)8253实现定时数据采集和控制量输出.软件实现分段PI控制算法,以获得较好的温度控制性能.

二、硬件设计 本控制系统原理框图如图1所示,它由以下几个模块构成:信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构.

2 3

1 5

4 水~220v 图1 系统原理框图 下面将具体介绍这几个模块. 1.信号转换及调理电路 信号转换调理就是将温度信号转化为电信号,然后调理为可采集的电压信号.具体电路参见图2. R1 R2 VOUT R3 R4 图2 数据采集模块 其中AD590是一种二端式的集成温度传感器,以TO-2形式封装如图3所示,主要技术参数如下: 图3AD590外引脚 1)测温范围为-55~+150°C 2)工作电压为+4~+30V,由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器,只要在其二端加上一定工作电压,则其输出电流随温度变化而变化,其线性电流输出为1uA/K;

它以热力学温度零点作为零输出点.其温度电流曲线见图4. 3)精度:经过激光平衡调整,AD590校准精度可达±0.5°C,在全温区范围内,线性度可达±0.3°C(AD590M), 精度可达1°C. 由于AD590是一种电流型的温度传感器,因此具有较强的抗干扰能力,适用于计算机远距离温度测量和控制.远距离信号传递时,可采用一般的双绞线来完成;

其电阻比较大,因此不需要精密电源对其供电,长导线上压降一般不影响测量精度;

不需要温度补偿和专门的线性电路;

由于以上独特优点,AD590在温度测控领域中得到广泛的应用. A/D转换器采用MC14433,要求采样输入电压幅值为0―2V可变,对应的温度变化范围为0―100°C,由图2可计算出R1和R3+R4得数值. 2.数据采集模块 通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量,并通过并行接口芯片将数字量送给计算机.本控制系统A/D转换器采用高精度的MC14433,图5为MC14433的典型电路图. MC14433是三位半十进制(即11位二进制数)的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz,它无控制启停信号,一旦上电,就不断地转换.转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS

1、DS

2、DS

3、DS4输出高电平是相对应,由于它们无三态特性,不可与PC机直接相连,因此要通过并行接口芯片相连接.又因为MC14433无内部参考电压源,因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考电压.

0 图5数据采集模块 3.数据显示模块 PC机将采集到的温度值经处理后送往LED数码管上显示,并在屏幕上打印出控制曲线.这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源,在实验装置上本模块提供了六个LED数码管,CPU通过两个端口来驱动LED数码管,分别为段输出选通端和位选通端,具体实现电路可参见《PC微机总线接口实验指导书》.数据的输出显示采用动态扫描方式,利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示. 4.脉宽调制控制及驱动电路 脉宽调制控制及驱动部分的原理图(图中包括执行机构部分)如下: 图6脉宽调制控制及驱动电路原理图 本电路用于完成反馈控制的功能,利用PC机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲,并送往驱动电路进行脉冲放大.改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM).由原理图可知本系统采用PWM方式,即工作频率不变,通过改变后级电路的导通与截止比来改变占空比.图上所示各点的波形具体体现了本电路的工作过程. 以下对本电路所用的重要元器件作简单介绍. 数字比较器74LS688(见图7) 图7 数字比较器74LS688 其中1脚为使能控制信号,低电平有效,P0-P7为数据A输入,Q0-Q7为数据B输入,当A=B时,19脚输出为低电平,否则一直为高电平. 光电耦合器MOC3061(见图8) MOC3061是一种内含过零检测电路的光电耦合器,它可以作为双向晶闸管的触发电路.MOC3061的输出端的额定电压是600V,最大重复浪涌电流为1A,最大电压上升率dv/dt为1000V/us以上,一般可达2000V/us,输入输出隔离电压大于7500V,输入控制电流为15mA. 主端 衬底 主端 阴极 阳极 空图8光电耦合器管脚图 5.执行机构 用经过驱动电路输出的放大的脉冲信号控制可控硅的通断,对电炉的功率进行PWM控制,达到对水温的自动控制. 这部分电路比较简单,由双向可控硅(晶闸管)及电路组成,见图6所示.晶闸管一旦触发,管子就导通,把控制信号减少甚至完全去掉,它仍然导通,只有当阳极电流减少到维持电流以下,管子才会截止.不过双向可控硅则无所谓阴、阳极.本电路可控硅采用BT138 600E,见图9. T1:主端子 T2:主端子 G: 门极 T1 T2 G 图9 双向晶闸管BT138 600E

三、软件设计 确定控制算法和参数 根据被控对象及基本设计要求,自动控制系统设计需进行大量的计算分析,要保证系统良好的性能又要满足给定的技术要求,在此过程中,可采用理论指导,结合实测数据,确定控制算法.对于水温系统的建模,可近似地认为 纯滞后+一阶惯性 环节,进行实验时先测出开环曲线,对于一阶惯性环节对象,往往采用PID控制算法,控制效果较好.PID控制表示比例(proportional)―积分(integral)―微分(differential)控制.PID调节器如图10所示. E(S)U(S) 图10 PID调节器 调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下: u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]式(1) 其中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数. 在计算机控制系统中使用的是数字PID调节,就是对式(1)进行离散化,离散化时,令u(t)≈u(kT) e(t)≈e(kT) ∫e(t)≈T∑e(jT) de(t)/dt≈[e(kT)De(kTDT)]/T 式中T是采样周期,显然,,

上述周期T必须足够短,才能保证有足够的精度.因此数字PID调节器,表达式如下: u(kT)=Kp{e(kT)+T/Ti∑e(jT)+Td/T[e(Kd)De(KtDT)式(2) 由控制理论可知:离散化采样频率越高,采样后失去的信息越少,相应的控制性能也越好.但由于水温是一个慢变信号,进行PID算法控制时,若采样频率过高,相邻两次采样信号差距很小,将会失去PID控制的优势,因此确定采样频率为1/15HZ,即15S进行一次PID算法. 在反馈控制部分的软件程序设计上主要采用PID控制算法,但由于过早地引入积分作用容易产生饱和,产生过大的超调量,预期的调节规律将遭到破坏.为了克服这一缺点,可以采用积分分离的PID控制算法,这样既保持了积分的作用,又减少了超调量,使控制性能有较大的改善. 在本系统的实际控制中,微分作用的改善不是很明显,因此,在软件编制时可不加微分调节. 一般来说,从A/D转化器中读出数据,可以有四种工作方式:中断方式、查询方式、定时方式和延时方式.考虑到水温是一个慢变的信号,可以每秒进行一次数据采样,而MC14433的转换速率为4~10HZ,且无控制启停的信号,一旦上电就不断地进行模数转换.因此,本系统决定采用定时方式读取数据,利用可编程定时/计数器8253来进行定时1秒,8253工作于方式0(记数结束中断方式),当写入控制字,OUT输出端立即变成低电平,当计数值到达0时,才变成高电平,因此计数结束时OUT信号的上跳变可作为中断请求信号,通过8259向CPU申请中断,在中断子程序中用查询方式去采集数据,于是实现一秒采集一次数据的功能.(计数时钟频率3MHZ/64,计数值为0B71BH,计数值与频率的乘积为一秒).因此本实验的软件设计包括主程序与中断子程序的编制.其中主程序主要完成显示温度值、打印控制曲线的功能,子程序完成读取A/D转换值、数字滤波、PID控制算法等功能.在程序编制时应提供一个简单的人机界面. 2.程序框图 如图11 主程序: 否是否是否是否是是否图11(1) 主程序 中断服务子程序: 图11 (2) 特别注意,中断子程序有自己的数据段,因此在中断子程序中要重新初始化数据段的段寄存器,否则会出现死机等莫名其妙的错误. 其中PID算法的流程如下: 入口 是否是否返回 图12 PID算法流程

四、实验步骤 1.完成信号转换及调理电路部分的设计和连线,可计算出R3+R4的值,并通过调节R1与R2,使其满足对应的温度电压转换关系. 2.完成数据采集与显示部分的连线(本部分主要是利用PC微机总线接口实验装置上现有资源). CS1(实验平台) CS2 CS-55 CS-53 CLK0 GATE0 OUT0 CS1(接口实验板) CS2 CS3 CS4 Q6 +5V IQ2 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PCO Q0 Q1 Q2 Q3 DS1 DS2 DS3 DS4 EOC 完成连线后编制数据采集与显示程序,编译连接通过之后,结合硬件电路运行,不断检查运行结果直至完全正确为止. 3.将信号转换调理模块与数据采集模块连上,即将图2的输出VOUT接图5中A/D转换器的输入V12,运行程序,检查工作正常与否. 4.完成脉宽调制控制与驱动部分电路的设计和连线. 5.完成整个系统的连接,并编制PID控制算法. 6.运行整个系统,不断地改变比例微分积分系数,直至达到最佳的控制效果. ........