基于ATmega32温控仪的设计.pdf

第 3 1 卷第 O 3期 2 0 1 0年 0 3月 煤 矿 机械 Co a l Mi ne Ma c h i n e r y V0 1 ． 3l No ．0 3 M 2 01 0 基于 A T m e g a 3 2温控仪的设计 陈明 。李 良光 安徽理工大学 电气与信息学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要 介绍了一种基 于工业级单片机 A T m e g a 3 2的 P I D温控仪 系统的结构、 功能和原理 ， 着 重研究了温控仪 系统的 P I D控制算法。讨论 了P I D控制算法在数 字控制 系统 中的实现． 给 出了以 A S T R O M提出的极限环法为基础的 P I D参数 自整定的原理． 实现 了极限环法 P I D参数 自整定功能 在温控仪 系统中的应用。 关 键词 温控 仪 ； A T m e g a 3 2 ； P I D；自整 定 中图分类号T H 8 1 l 文献标志码A文章编号1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 0 4 50 3 De s i g n o f Te mp e r a t u r e Co n t r o l l e r Ba s e d o n AT me g a 3 2 CHEN Mi n g ， LI Li a n g - g u a n g C o H e g e o f E l e c t ri c E n g i n e e ri n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e ，f u n c t i o n a n d p rin c i p l e o f a P I D t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r s y s t e m b a s e d o n i n d u s t ri a l MC U A T me g a 3 2 a r e i n t r o d u c e d ， a n d P I D c o n t r o l a l g o rit h m i n t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r s y s t e m i s s t u d i e d e mp h a t i c a l l y ． T h e i mp l e me n t a t i o n o f P I D c o n t r o l a l g o ri t h m i n d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m i s d i s c u s s e d ． a n d t h e p r i n c i p l e o f P I D p a r a me t e r s s e l f - t u n i n g b a s e d o n t h e l i mi t - c y c l e me t h o d p r o p o s e d b y AS T ROM i s g i v e n ．T h e a p p l i c a t i o n o f P I D p a r a me t e r s e l f t u n i n g f u n c t i o n b a s e d o n t h e l i mi t - c y c l e me t h o d i n t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r s y s t e m i s i mp l e me n t e d ． Ke y wo r d st e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r ；ATme g a 3 2；PI D；s e l f - t u n i n g 0 引言 温度是工业生产中十分重要的参数之一 ． 特别 是在冶金 、 石油 、 食品、 印染等工业企业 中。温度控 制系统 的控制对象 ， 具有大惯性 、 大时滞性和非线 性的特点 ． 存在很多不确定 的因素 ． 难 以建立精确 的数学模型 。 导致控制系统综合性能不够理想。P I D 控制算法是一种广泛应用于温度控制系统中的相 对成熟的算法 本设计即是对一款 P I D温控仪的改 造和升级 ．提高其控制精度 ，并且使之具有了 P I D 参数 自整定的功能 1 系统概述 改造以后 的温控仪 。 系统框图如图 l 所示。本 文设计 的 P I D温控仪控制对象即是 电加热棒 的温 度。系统工作时 ， 对用于检测温度热电偶测得 电压 信号进行放大 ． 经由 MD转换变成数字量送单片机 处理 ． 单片机通过 I ／ O口输出数字量， 即是该时刻的 调功控制值 ．给加热控制电路控制可控硅的通断 ． 从而控制对加热体的功率输 出的大小 ． 实现对温度 的控制 匝 HA T m e s a 3 z H 匦 卜 卜 ． 亘回 图 1 温控仪系统框 图 2 硬 件设计 工业级单片机 A T me g a 3 2是一款低功耗 、高性 能的 8位 A V R单片机 。内含 3 2 K B系统 内 F l a s h ． 1 K B的 E E P R O M． 2 K B的 S R A M等等。改造前的温 控仪是通过 8 9 C 5 2控制 的．由于单片机资源 的限 制． 原系统进行 了系统外扩． 采用 A T m e g a 3 2控制可 以省去一些外扩 虽然 A T me g a 3 2本身带有 A ／ D转 换 ． 不幸的是这些 AD C常常是事后添加到微控制器 数字工艺 中的部件 ．此类所谓的 l 6位 AD C所提供 的性能有可能更接近于 l 0位或 1 2位 A D C ．所以． 本 系 统仍 然 设 计 独 立 的 D 转 换 。A D C采 用 I C L 7 1 3 5 ． 它为 4位半双积分 MD转换器 ． 具有精度 高 相当于 l 4位二进制数 、 价格低的优点 。 温度加热控制电路如图 2所示。采用具有过零 检测功能的光电耦合器 MO C 3 0 8 1 既实现了强弱信 号的隔离． 又具有过零触发双向可控硅导通与截止 的功能 主电路由双向可控硅 B T 1 3 6控制。 图 2温 度 加 热 控 制 电路 3软件设计 该温控仪是具有广泛适应性的温度调节仪 。 结 ．．． 45．．． V o 1 ． 3 1 N o ． 0 3 基于 A T me g a 3 2温控仪的设计 陈明， 等 第 3 1 卷第 0 3 期 构紧凑 、 功 能强 、 调节灵 敏度 高 ， 可同时测量和控 制 3个通道。 各种参数如温度设定 ． 温控仪上下 限 报警值 ． P I D参数 ， 各种补偿参数等都可 以随时修 改和永久保存 。P I D参数 自整定 ， 恒温定时 ， 数据 打印． 与上位机通信等功能 。系统 主程序 、 外部 中 断 0子程序 和定时 器 0子 程序 流程 图如 图 3所 示 序 主程序 定时器 0中断子程序 图 3 系统主程序及外部子程序流程图 3 ． 1 P I D算法的实现 系统的 P I D算法子程序流程图如图 4所示 在 本温度 控制 系统 中． 使用的是数字 P I D控制 。 数字 P I D控制算法通常分为位置式 P I D控制算法和增量 式 P I D控制算法 。本设计就是采用位置式 P I D控制 算法。离散化以后的位置式 P I D算法算式 1 u k K p e K - e j K D [ e 一 e 一 1 】 1 0 式 中 Ji} 采样信号， 后 0 ， 1 ， 2 ⋯ u k 卜第 k次采样时刻的 P I D输 出值 ； e 第 k次采样时刻输入的偏差 ； e 一 1 第 一 1 次采样时刻输入的偏差； K广 _ -积分系数 K 微分系数。 图 4 P I D算 法子程序流程 图 本系统就 P I D算法作了以下几点处理 1 系统采用 P I 调节 2 为了提高系统的响应速度， 当误差大于 3 0℃ 时． 让可控硅始终导通； 3 程序中对积分饱和进行了处理 4 调试时发现在不同温度段， 系统稳态误差是 非线性分布的． 程序对此进行处理． 对实际参与计算的 设定值进行修正． 用户可以通过按键对此进行控制 3 ． 2 P I D参数 自整定算法实现 P I D参数 自整定算法很多 ， 诸如 Z N法 ． 衰减 曲线法 ， 专家系统法等。本文的设计以 A S T R O M提 出的极限环法为基础．结合加热棒控制系统没有负 的输人，温度一旦超调只能靠 自然冷却达到设定工 作温度点 的特点 ． 提出了对 P I D温控仪 只增加少量 程序就能增加 P I D参数 自整定功能的做法 极限环法原理如图 5所示 当系统开关指 向a 时， 系统进行 P I D控制 指向b时， 闭环系统产生等 幅振荡 ．然后根据等幅振荡的周期和振幅得到一组 P I D参数 幡、一广 图 5极 限 环 法原 理 图 对加热棒系统． 选定个温度， 对过程施加控制信号 ， ㈤ 式中e t 当前 温度减去设 定温度的控制作 用 。 0 k ／ -2 - 2 c o s t o t 一 3 式 3 的推导见参考文献【 3 】 。首先找到系统等幅振 荡周期曲线一周内的最低点 y a 及对应的时问 t 和 最高点 及对应的时间 t ，最高点和最低点之差 为 2 a 对应的时间差为 T ／ 2 。其中 a l ／ 2 一 4 T 2 t 2 - t 1 5 然后根据 和 得出 P I D参数值 P 0 ． 6K c ； I - 0 ．5 ； D 0． 1 2 5 T。 在线 自整定 P I D参数时 ． 对任一个设定工作温 度点 ． 当实际温度未升到设定工作温度点时 。 对加 热棒系统施加一个固定的控制信号 Ⅱ f f 1 ， 即是 固 定 的功率输 出给加热棒 实际温度一旦达到设定温 度 ， 功率输出为 0 不加热 ， 那么系统就围绕一个温 度点进行等幅振荡 。 根据实验的结果。 P I D参数 自整 定时 ． 通过～定的算法选取一个内部温度点 ． 使系 统成为围绕这个 内部温度点的等幅振荡系统 ． 选取 此等副振荡 曲线的第 3个振荡周期 为对象进行处 ．。 ． 4 6 ．．． 叁 ～ 童 第 3 1 卷第 0 3期 2 0 1 0年 O 3月 煤矿 机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo l - 3 l NO ． 0 3 Ma L 2 0 l 0 试验 研究气 液压支架用新型高水基大流 付 盼娣 ，马 胜 钢 ，王 永 强 。赵 俊 波 1 ． 郑州大学 机械工程学院 ， 郑州 4 5 0 0 0 1 ； 2 ． 郑州煤矿机械集团有限公司 ， 郑州 4 5 0 0 1 3 摘 要应用功率键合图法建立 了安全阀的数 学模型 ， 然后用 MA T L A B软件编制安全阀的仿 真模型并进行仿真， 得 出了安全阀工作 时二 ． 系列的阀芯位移、 阀出口流量、 阀进 口压力等参数的特 性曲线。 通过分析仿真结果得 出一些有益的结论。最后讨论 了在有限的实验条件 下高压大流量安 全 阀的 实验 研 究方 法。 关键词 安全阀； MA T L A B软件 ；动态特性； 仿真 ；实验方法 中图分类号 T D 3 5 5 文献标志码A文章编号1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 30 0 4 70 3 Dy n a mi c Ca p a b i l i t y S t u d y a n d An a l y s i s o f Ne w Ty p e La r g e F l u x S a f e t y Va l v e F U Pa n - d i 。 MA S h e n g - g a n g 。W ANG Yo n g - q i a n g 2 。Z HAO J m卜b 0 1 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ； 2 Z h e n g z h o u C o al Mi n i n g Ma c h i n e r y G r o u p ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma t h e ma t i c mo d e l o f s a f e t y v alv e wa s f o u n d e d b y u s i n g o f b o n d g r a p h ． a n d s i mu l a t i o n mo d e l w a s d r a wn u p b y MAT L AB s o f t ． Wo r k i n g b e h a v i o r c u r v e s o f v alv e p l u g ，e x p o fl o w- r a t e ，a n d e n t r a n c e p r e s s u r e we r e o b t a i n e d v i a s i mu l a t i o n ． S o me s i g n i fi c a n t c o n c l u s i o n s w e r e r e a c h e d b y a n aly z i n g s i mu l a t i o n r e s u l t s ．F i n a l l y， e x p e r i me n t a n d s t u d y me t h o d o f h i g h p r e s s u r e l a r g e fl u x s a f e t y v alv e u n d e r t h e l i mi t e d c o n d i t i o n we r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s s afe t y v alv e ； MAT L AB s o ft ； d y n a mi c c a p a b i l i t y ； s i mu l a t i o n ； e x p e r i me n t me t h o d O引言 目前我国绝大多数的企业 和研究单位 的试验 条件只能对流量为 5 o 0 L ／ m i n以下的小流量的安全 阀进行额定工况试验 ． 对于大流量 本阀设计流量 3 0 0 0 L ／ m i n 的额定工况下的试验仍无法进行 ． 引 进国外先进设备或者是建造满 足如此高压力和大 流量的试验平台都需要很高的成本 。 如何解决这一 难题成为安全阀性能分析研究的关键。现代仿真技 术的发展为解决这一难题提供了很好 的平台． 可以 采用仿真的方法对安全阀进行性能分析 ． 与其他方 法相 比， 不仅周期短， 而且成本低。 1 安全 阀的 结构和 工作原 理 1 安全阀结构 F A D 3 o 0 0 ／ 5 0型安全阀是郑州煤矿机械集 团有 限公司参考国外先进技术最新设计研究的． 其结构 如图 l 所示 ． 阀溢流 口采用周向分布的多个小孔结 理。 最终确定 P I D参数。当实际工作时 ， 要根据实际 工况 ． 可能要多次进行整定最终得 到理想 的 P I D参 数。 4试验 结果及 分析 试验条件 系统工作温度 2 5 o C ， 控制对象 电 加热炉， 传感器 K型热电偶 。 一路功率输出。 试验数据如表 l 所示。温控仪工作时， 温度振 荡3个周期后基本稳定 。 误差在 0 ． 5℃以内 达到用 户的要求 。系统控制精度高 ， 响应速度快 ， 但低温 段超调量略大 ， 基本达到设计要求。 表 1 温控仪试验数据 温度℃ 5结语 系统 目前已经投入生产运用 ， 效果 良好 。通过 改造后的温控仪 ． 硬件上比之原来以 8 9 C 5 2单片机 的系统简化了 。 批量化生产节约了生产成本 软件 改造后 ， 系统 的功能增 多了， 特别是 P I D参数 自整 定功能的实现 。 使之更加具有市场竞争力。 参考文献 [ 1 ] S t e v e L o g a n ． 内置一个 l O p p m ／ C 准 的纤巧型 l 6位 AD C替代微 控制器 的 A D C[ J ] ． 电子设计技术， 2 0 0 9 9 5 9 6 1 ． [ 2 ] 陶永华． 新 型 P I D控制及应用[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 王先春 ， 蔡建华， 胡惟文． P I D算法及参数 白整定在温控系统中的 实现 [ J ] ．自动化仪表 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 6 一l 8 ． 作者简 介陈明 1 9 7 8 一 ， 安徽巢湖人 。 硕士研究生 ， 现就读于 安徽理工大学电气与信息工程学院控制理论 与控 制工程专业 ． 研究 方 向现代电源技术 ． 电子信箱s k y c x m1 2 6 ． t o m ． 责任编辑 王海英收稿 日期 2 0 0 9 1 o ． 2 3 ． ． 47．．．．