三、项目设计方案论证 3.1．方案论证比较 3.1.1.硬件选择 微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以 及输入输出设备相连接的 I/O 接口电路，微型计算机简称 MC。如果将微处理器、存储器和输入/ 输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。 本次设计选用的是 AT89C51，是 MCS-51 单片机系列的一种。其结构体系完整、指令系统功 能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。 它提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线， 两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时 钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空 闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方 式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.1.2.算法选择 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，必须首先对式（3-1）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达。 对温度的控制算法，采用技术成熟的 PID 算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似 于连续变化，因此用数字 PID 完全可以得到比较好的控制效果。 简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节 器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差 的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当 于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应 速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作 出响应，于是在 PI 调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器， 微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速 度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为： 1de1 ?u )T ??edt( u? Ke ? 0?pd T0dt i (3-2) 单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式 的调节规律可以通过数值公式 PID中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后， i
?e?(e?e)]?uT T
0i1ji?d
?e ? K [u TT
ip?
i j?0
(3-3)
计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。我们 变换上式(3-3)得：
2
]?eIe?D[?u?u?K?e?u?uiipi1i1ii ????? (3-4)
3-4）得：-1 带人上式（ei-1,△2 ei=△ei -△ei 把△ei= ei -
u ? u ? K [(e ? e) ? I e ? D (e ? 2e ? e)] 2?i?iii?1i?i?i1?1p?
(3-5)
式中 ei=W—Yi，W 为设定值，Yi 为第 i 次实际输出值，Kp 为比例系数，积分系数 I=T/Ti， 微分系数 D=Td/T，T 为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。
用 PID 控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差， 通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由 于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中 Kp、Kd 和 Ki 的选择取决于 电阻炉的响应特性和实际经验。
本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度 T 比较，计算出偏差 ei，然后分两种情况进行计 算控制变量：
1．ei 大于等于设定的偏差 e 时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器 调节，直接使用 PD 调节，获得比较快的动态响应，计算 Pd 和 Pp，最终得到控制量获得比较快
的动态响应。
2．ei 小于设定的设定的偏差 e 时，正常的分别计算 Pi、Pd 和 Pp，然后根据算法公式计算 出控制变量。
3.2 总体方案设计与原理分析
由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一 阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时 间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说 可以采用以下几种控制方案：
3.2.1．输出开关量控制
对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与 被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但 由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起 反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作 而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态 特性要求不高的情况下采用。 3.2.2．比例控制（P
控制）
比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当 负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程始终存在余差。因此它适用于控制通道滞后 较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后 需将累积误差消除。
3.2.3．比例积分控制（PI
控制）
由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程 结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加 长。因此，PI 控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工 程上使用最多、应用最广的一种控制方法。 3.2.4．比例积分加微分控制（PID
控制）
比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对 克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分 作用，可以消除余差。因此，PID 控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高 的控制系统。
结合本例题设计任务与要求，由于温度系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断 哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID 控制方 法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制 方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系 统可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控 制品质的要求。
硬件电路设计与分析 3.3．
3.3.1.系统概况 本系统是采用以 AT89C51 单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度， 并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过 A/D 转换器 0808 将其转换为数字信号，送入单片 机与给定值进行比较，通过运用 PID 算法得出控制结果，送显示并进行控制。 总体设计方案见如图 4-1 所示。 看门狗 图 3-1 系统设计方案图 3.3.2.功能模块 测量 、单片机控制模块1变送 A/T89C51 是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用 PID 算法得出 结果并送输出。整个控制系统的程序就下载到单片机中去。 A/T89C51 仿真图如图 3-2 所示。
图
3-2 单片机仿真
2、数据转换与采集模块 A/D0808
AD0808 是 CMOS 的 8 位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行 A/D 转换，芯片内有模拟多路 转换开关和 A/D 转换两大部分，可对 8 路 0～5V 的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多
电加热炉温度控制系统设计
