计算机控制技术课程设计。基于PID-电阻炉温度控制系统.doc

科技学院

课程设计报告
(2023--2023年度第2学期)

名称：计算机控制系统A
题目：
院系：动力工程系
班级：自动化11K×班
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：1周

成绩：

日期：2023年7月11日
基于Smith-PID电阻炉温度控制系统

一、课程设计(综合实验)的目的与规定
设计目的
用SMITH-PID控制器控制电阻炉。避免由于延时过大导致的控制误差过大
设计规定
设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下：
1.电阻炉温度控制在0~500℃；
2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；
3.LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；
4.采用Smith-PID数字控制算法，规定误差小，平稳性好；
5.温度超过预置温度±5℃时发出报警。

2方案设计
本系统是一个典型的温度闭环控制系统，需要完毕的功能是温度设定、检测与显示以及温度控制、报警等。温度的设定和显示功能可以通过键盘和显示电路部分完毕；温度检测可以通过热电阻、热电偶或集成温度传感器等器件完毕；温度超限报警可以运用蜂鸣器等实现；温度控制可以采用可控硅电路实现。
系统采用89C51作为系统的微解决器来完毕对炉温的控制和键盘显示功能。8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，减少了成本。因此89C51可以完毕设计规定。
系统建模和数字控制器的设计
PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，并且可以根据系统的规定，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改善的PID控制等。它具有许多特点，如不需规定出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图3-1所示：

3.2数字控制器的设计

具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表达为：

采用离散Smith预估控制系统。该系统框图如下

设涉及零阶保持器在内的广义被控对象传递函数为

式中：T为采样周期，并设m=(取整数)。
纯滞后补偿器的传递函数为

采用由传递函数直接求差分方程式的方法进行计算，其环节如下。
计算外反馈回路偏差e1(n),即

式中：y(n)为被控量第n次采样时的数值；R(n)为给定值，在定值控制系统中为常数。
计算纯滞后补偿器的输出y1(n)，即

化为微分方程式，则可写成：

用差分代替微分，则有

在计算第n次采样的z(n)值时，p(n)尚未计算，因而用p(n-1)和p(n-2)代替p(n)和p(n-1)。经移项整理后得
其中;;;
纯滞后补偿器的输出为

计算内反馈回路偏差e2(n),即

计算数字控制器输出p(n),控制器采用PID控制规律，则

式中：为控制器的比例系数；为积分系数，；为微分系数，。
P(n)即为计算机的控制输出，用以控制执行机构的信号。若有需要还可用此p(n)重新计算z(n)，作为下一个采样周期的z(n-1)值。

返回
z(n)~z(n-m)
z(n-1)~z(n-m-1)
P(n)P(n-1)
P(n-1)P(n-2)
……
P1(n)P1(n-1)
……
重算z(n)
计算p(n)
数字滤波
输出P1（n）
Pmp1(n)
P1(n)>Pm
计算p1(n)
计算e2(n)
计算y1(n)
计算z(n)
计算e1(n)
有效性检查
读入y1(n)
Smith预估补偿控制程序流程框图如下

硬件设计
系统的硬件电路涉及微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个重要部分
温度检测部分
本次设计采用的是89C51单片机

人机对话部分

89C51

热电阻
变送器
A/D转换器
温度显示

键盘

温度控制部分

电炉
可控硅调功器
驱动器
光耦
声音报警

电热阻控制系统结构框图
2.温度检测电路。温度检测电路涉及温度传感器、变送器和A/D转换器三部分。温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。型号为WZB-003的铂热电阻适合于0~500的温度测量范围，可以满足本系统的规定。变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0~500时变送器输出0~4.9V左右的电压。
A/D转换器件的选择重要取决