水泥养护箱温湿度控制系统设计
辽 宁 工 业 大 学
计算机控制技术 课程设计(论文)
题目: 水泥养护箱温湿度控制系统设计
院(系): 电气工程学院
专业班级: 自动化101班
学 号: 100302022
学生姓名: 张琦
指导教师: (签字)
起止时间: 2013.12.30-2014.1.10
本科生课程设计(论文)
课程设计(论文)任务及评语
院(系):电气工程学院 教研室:自动化 学 号 100302022 学生姓名 张琦 专业班级 自动化101班
课程设计(论水泥养护箱温湿度控制系统设计 文)题目
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
水泥养护箱是水泥企业必备的试验设备,其性能的优劣直接影响水泥检验结果的准
确性,本设计以单片机为控制核心,加上相应的输入输出通道,采用常规PID控制算法,
K,,s0将温湿度控制在
规定
关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定
范围内,并要求实时显示当前温度值。被控对象为,仿e,1Ts0课12真研究时用近似。 ,程0.2s,10.1s,1设
计设计任务及要求
)1、确定系统设计
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
,包括单片机的选择,输入输出通道,键盘显示电路; 论2、建立被控对象的
数学
数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划
模型; 文3、推导PID控制算式,设计PID算法的程序流程图或程序清单; )4、仿真研究,验证设计结果; 任
务5、撰写、打印设计说明书一份;设计说明书应在4000字以上。
技术参数
温度控制:20?
误差小于?5%
相对湿度大于等于90%
1、 布置任务,查阅资料,确定系统方案(1天)
2、 被控对象建模(1天)
3、 算法推导,程序设计(3天) 进
度4、 仿真研究(2天)
计5、 撰写、打印设计说明书(2天) 划 6、答辩(1天)
指
导 教 师
平时: 论文质量: 答辩: 评
语 及总成绩: 指导教师签字: 成
绩
年 月 日
注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
本科生课程设计(论文)
摘要
本文采用AT89S51作为控制系统的核心,采用常规PID控制算法,实现水泥养护箱的温湿度检测和控制,并根据AM2302数字温湿度传感器测量值,求出其输出控制量,控制系统的温湿度,使水泥养护箱的温度测量为20?,测量误差小于?5%,相对湿度大于等于90%。采用单片机编程实现PID算法进行温度控制保证系统工作在最佳状态,有利于提高系统的工作效率。采用PID算法进行温度控制,具有控制精度高,能够克服容量滞后的特点,特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
关键字:AT89S51;PID;水泥养护箱;数字温湿度传感器
本科生课程设计(论文)
目录
第1章 绪论 .................................................... 1 第2章 课程设计的方案......................................... 2
2.1 概述 ..................................................... 2
2.2 系统组成总体结构 ......................................... 2 第3章 硬件设计................................................ 4
3.1 单片机最小系统设计 ....................................... 4
3.3 AM2302数字温湿度传感器................................... 4
3.4 1602显示模块............................................. 5
3.5 矩阵键盘电路的设计 ....................................... 6
6 3.6 温湿度控制电路的设计 .....................................
3.7 整体电路图 ............................................... 7 第4章 软件设计................................................ 8
4.1 常规PID算法 ............................................. 8
4.1.1 PID控制器基本概念.................................. 8
4.1.2 模拟PID调节器 ..................................... 8
4.1.3 数字PID控制器 ..................................... 9
4.2 PID软件流程图的设计..................................... 10
4.3 系统整体流程框图 ........................................ 10 第5章 模拟仿真与调试........................................ 11 第6章 课程设计总结 .......................................... 13 参考文献 ....................................................... 14 附录一 ......................................................... 15
本科生课程设计(论文)
第1章 绪论
随着电子技术的飞速发展,嵌入式系统正在深入应用到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,将嵌入式系统技术与模糊控制技术结合起来,构成一种体积小、易于网络化、成本较低、集信号采集、数据存储、网络传输、实时控制和实时显示为一体的嵌入式温湿度控制系统具有广泛的应用前景。
从20世纪90年代开始便引起了国内工程界的广泛关注,先进的试验技术需要相应的试验平台支持,为了进一步推进强化试验技术在我国的应用和发展,就必须研制具有我国自主知识产权的相关试验设备,针对温、湿度控制系统开展了一系列相关研究,并完成了强化试验设备控制系统的设计。为适应社会发展需要,微型计算机不断地更新换代,新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中,近年来单片微型计算机异军突起,发展极为迅速。
温湿度控制是个古老的问题,早在工业社会发展的初期,就有人尝试去设计控制它。其中温湿度中的耦合问题,一直是国内外学术晃争论的控制问题。众所周知,温湿度是一个矛盾的量,当湿度上升,温度会下降;当温度上升,湿度会下降。因此对温湿度控制问题在全国已至于全世界都是一个难以得到很好的控制的课题。温湿度控制主要存在着两个方面的挑战。一方面,温湿度的单回路控制,要求获得较高的温湿度控制精度和极佳的控制品质。另一方面,温湿度之间存在有强耦合关系,需要解耦。温湿度控制广泛应用在人们的产和生活中,人们采用温度计,湿度计来采集温度和湿度,通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度,这样不但控制精度低、实时性差,而且操作人员的实际强度大。即使有用户采用半导体作温湿度传感器,但由于其交换性差,效果也不理想,在许多行业中对温湿度要求较高,对行业的可靠运行依靠性比较大,甚至涉及到人员安全,为了避免这些故障,需要安装控温、除湿设备。
水泥养护箱的养护条件早期性能主要取决于养护温度和养护湿度。因此,对水泥养护箱的温度和湿度进行监测和控制具有重要意义。常规的温度控制方法以设定温度为临界点,超出设定允许范围即进行温度调控:低于设定值就加热,反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低,但控制效果不理想,控制温度精度不高、容易引起震荡,达到稳定点的时间也长,因此,只能用在精度要求不高的场合。
1
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第2章 课程设计的方案
2.1 概述
水泥养护箱的养护条件对其强度和早期性能的发展有着显著的影响,在材料配比相同和施工方法一致的前提下,混凝土的早期性能主要取决于养护温度和养护湿度。本课设要求完成水泥养护箱温湿度控制系统设计,以单片机为控制核心,加上相应的输入输出通道,采用常规PID控制算法,将温湿度控制在规定范围内,
K,,s012e,,1Ts00.2s,10.1s,1并要求实时显示当前温度值。被控对象为,仿真研究时用近似。
其中需要完成以下几点设计要求。
1.单片机的选择
2.温湿度传感器的选择
3.键盘显示电路的设计
4.建立被控对象的数学模型
5.推导PID控制算式,设计PID算法的程序流程图或程序清单
6.仿真研究,验证设计结果
2.2 系统组成总体结构
本系统采用AT89S51作为微控制器,AM2302作为数字温湿度传感器、LCD12864作为显示器, 正常运行时,不断采集温湿度,具体框图如图2.1。
2
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图2.1 系统的总体框图
3
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第3章 硬件设计
3.1 单片机最小系统设计
本系统选择AT89S51单片机,AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。单片机最小系统原理图如图3.1。
AT89S51
图3.1 单片机最小系统原理图
3.3 AM2302数字温湿度传感器
AM2302数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2302传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。实物图如图3.2所示,原理图如图
4
本科生课程设计(论文) 3.3所示。
其技术参数:
信号输出:单总线数字信号
感测元件:湿敏电容
工作范围:湿度0-100%RH,温度-40~80?
测量精度:湿度?2%RH,温度?0.5?
分辨率:湿度0.1%RH,温度 0.1?
稳定性:?0.5%RH/年
互换性:可完全互换
P3.0
图3.2 AM2302实物图图 图3.3 AM2302原理图 3.4 1602显示模块
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。显示原理图如图3.4所示。
图3.4 LCD1602显示电路
5
本科生课程设计(论文) 3.5 矩阵键盘电路的设计
矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,行线、列线分别连接到按键开关的两端。
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵,它是一种廉价的输入设备。一个键盘,通常包括有数字键(0,9),字母键(A,Z)以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向计算机输入数据,地址、指令或其它控制命令,实现人机对话。其键盘电路原理图如图3.5。
图3.5 键盘电路
3.6 温湿度控制电路的设计
本装置利用AT89S51的P1.2口作控制加热器,P1.3口作控制加湿机。为了避免电磁干扰,系统采用光电隔离方式。对于加热器的控制可通过在单片机输出P1.2口输出低电平,合理控制导通,达到改变电阻丝两端平均加热电压的目的。对于对加湿机等的控制,可以用继电器控制其电磁阀的通断。单片机P1.3口输出低电平的触发方式,达到调节加湿机通断时间比的目的。温度控制电路如图3.6所示,湿度控制电路如图3.7所示。
图3.6 温度控制电路
6
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图3.7 湿度控制电路
3.7 整体电路图
AT89S51
P3.0
图3.8 整体电路图
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第4章 软件设计
4.1 常规PID算法
4.1.1 PID控制器基本概念
PID是工业生产中最常用的一种控制方式,PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一,PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统,可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。
1.比例(P)控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
2.积分(I)控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停
Ti越小,积止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
3.微分(D)控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。可以改善系统的动态性能。微分作用对噪声干扰有放大作用,对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。 4.1.2 模拟PID调节器
在工业控制系统中,常常采用如图4.1所示的PID控制,其控制规律为
图4.1 模拟PID控制系统
8
本科生课程设计(论文)
PID调节器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出y(t)构成控制偏
差
(4-1)e(t),r(t),y(t)PID的控制规律为
tTdet1()Dt,et,etdt,) (4-2)u()(()()k,P0dtTI对应的模拟PID调节器的传递函数为
U(s)1 (4-3) G(s),,k(1,,TS)PDE(s)TSI
T其中,K是比例增益;是积分时间常数;T是微分时间常数。 PID4.1.3 数字PID控制器
(1)数字PID位置型控制算法
kTekek()(1),, (4-4)tekeiu()[()()],,,,kTDPT,0iTI
(2)数字增量型控制算法
(4-5)?u(k),e(k),e(k,1),e(k,1)qqq012其中:
TDTK(1)qP0,,,TT1
TD2 (4-6) K(1)qP1,,,T
TDKPq2,T
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4.2 PID软件流程图的设计
PID控制流程图如图4.2所示。
图4.2 软件流程图
4.3 系统整体流程框图
系统整体的流程图如图4.3所示。
图4.3 系统整体流程框图
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本科生课程设计(论文)
第5章 模拟仿真与调试
控制系统质量的好坏取决于控制器与被控对象之间的函数关系是否匹配,PID控制器的系统参数应由被控对象传函来确定。养护箱温湿度的被控对象可视为一个惯性环节与一个纯滞后环节:
K0,,s s,()e0G,1Ts0
T0其中,是温度的时间常数,K0为温度的增益,s为拉普拉斯变换算子。
由于客观原因仿真研究时采用以下传函近似:
12 s,,()G00.2s,10.1s,1
在LabACT实验箱上用两个运算放大器,加若干个电容电阻搭建被控对象,使用软件中的数字双迹示波器进行仿真,并观察实验现象。连线图如图5.1所示,相应曲线如图5.2所示。
图5.1 连线图
图5.2 被控对象响应曲线
由图可知:
11
本科生课程设计(论文) 通常取Y0(t1)=0.3Y0(?),从图中可得到t1=0.170s
通常取Y0(t2)=0.7Y0(?),从图中可得到t2=0.370s
T0=(t2-t1)/0.8473=0.236
τ,(1.204t1-0.3567t2)/0.8473=0.08
计算得:
KP=1/ K0[1.35(τ/T0)+0.27]=0.381
TI=T0*[2.5(τ/T0)+0.5(τ/T0)?]/[1+0.6(τ/T0)]=0.189
TD=T0*[0.37(τ/T0)]/[1+0.2(τ/T0)]=0.030
,,根据求得的数据计算偏差值,并控制偏差值5%,若偏差值5%,采用PID参数整定法将偏差值控制在5%以内,这样才能够保证能够实现所要求的温度范围内,即将温度控制在-5~+5摄氏度。PID外部接线图如图5.3所示,PID曲线图如图5.4所示。
图5.3 PID外部接线图
图5.4 PID曲线图
Δu(k),qe(k),qe(k,1),qe(k,2)012由公式
计算得出q0=0.710,q1=-0.838,q2=0.229
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本科生课程设计(论文)
第6章 课程设计总结
计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础,以计算机控制技术为核心,综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术,从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。企业对具备较强的计算机控制技术应用能力专门人才需求很大。
本文设计水泥养护箱温湿度控制系统,泥养护箱是水泥企业必备的试验设备,其性能的优劣直接影响水泥检验结果的准确性,本设计以AT89S51单片机为控制核心,加上相应的输入输出通道,采用常规PID控制算法,将温湿度控制在规定范围内,并要求实时显示当前温度值。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,采用PID算法进行温湿度控制,具有控制精度高,克服容量滞后的特点,特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
在课程设计过程中,使我对计算机控制技术的知识面也得到了更深一步的扩展,对如何运用计算机进行PID算法控制水泥养护箱温湿度有了一定的了解。在查阅资料的过程中,学会了许多书本上学不到的东西,并且使自己的动手能力得到了加强,这次课程设计是我们学习完现场总线技术及应用之后一次较为综合的设计,毫无疑问,每个人理论与实践的能力都得到了前所未有的锻炼,经过为期一个多星期的查阅资料、自己总结、与同学探讨等渠道,发现了自己在平时学习时的不足,以及出现的问题都得到了有效的解决,大学生课程设计对每个在校大学生都有很大意义,不但锻炼了我们运用知识的能力,学以致用是每一个学者学习的最终目的,尤其对我们工科生来讲,通过这次课程设计更加坚定了我学习专业课的信心,激发了自己学习的动力,对以后的工作、研究有很大的帮助。从另一方面来讲也锻炼了我们的耐力与韧性,每一个人只有发现困难、解决困难,千锤百炼才能是一个较为出色的人,优秀的人。
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本科生课程设计(论文)
参考文献
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大学出版社,2001.
14
本科生课程设计(论文)
附录一
程序清单:
%PID Controller
clear all;
close all;
ts=20;
sys=tf([1],[60,1], 'inputdelay',80);
days=c2d(sys,ts, 'zoh'); [num,den]=tfdata(days, 'v'); u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0; y_1=0;y_2=0;y_3=0;
error_1=0;
ei=0;
for k=1:1:100
time(k)=k*ts;
rin(k)=1.0;
yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; D(k)=0.01*rands(1);
yout(k)=yout(k)+D(k);
error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts;
kc=0.30;
ki=.0055;
TD=140;
kd=kc*TD/ts;
Tf=180;
Q=tf([1],[Tf,1]);
M=2;
if M==1
alfa=Tf/(ts+Tf);
ud(k)=kd*(1-alfa)*(error(k)-error_1)+ki*ei;
u(k)=kc*error(k)+ud(k)+ki*ei; ud_1=ud(k);
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本科生课程设计(论文) elseif M==2
u(k)=kc*error(k)+kd*(error(k)-error_1)+ki*ei;
end
if u(k)>=10
u(k)=10;
end
if u(k)<=-10
u(k)=-10;
end
u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3-y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);
error_1=error(k);
end
figure(1);
plot(time,rin, 'b', time,yout, 'r'); xlabel=('time(s)');ylabel('rin,yout'); figure(2);
plot(time,u,'r');
xlabel('time(s)');ylabel('u'); figure(3);
plot(time,rin-yout,'r');
xlabel('time(s)');ylabel('error'); figure(4);
bode(Q, 'r');
dogain(Q);
16