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计算机控制技术课程设计.doc
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2022-06-01
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计算机控制技术课程设计
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1、概述
温度控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节, 能否成功地将温度控制在
所需的范围内关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性, 导致采用的温控
手段的多样性。例如: 某种半导体激光器对工作温度的稳定性有较高的要求, 一般要将温
度控制在±0.1℃左右, 才能保证器件输出的激光波长不发生超出要求的漂移, 否则,激光
波长的超范围漂移将使研究工作难以开展。为达到这种温控要求, 笔者根据工作中的情况,
采用 PID 控制原理研制成适合用于小功率半导体器件的温度控制器。该控制器能够达到
很好的控制效果, 若精心选择 PID 的各种参数, 温度控制的精度可以达到±0.05℃, 完全
可以保证器件的正常工作。
1
2、温度控制原理
在上述温控实例中, 器件工作时产生的热量将使器件本身工作温度升高, 最后达到很高
的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响器件的各种性能参数, 也很可能导致器件不能
正常工作, 甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较
低的水平上, 这样一来就要求根据器件工作时的实际情况(如产热量大小等) 采取一定的措
施,随时将产生的热量即时散掉, 并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位
时间里吸收的热量, 若两者达到动态平衡, 则可以保持器件工作温度的稳定[1]。
在一定的控制系统中, 首先将需要控制的被测参数(如温度) 由传感器转换成一定的信
号后再与预先设定的值进行比较, 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应
的控制值, 将控制量送给控制系统进行相应的控制, 不停地进行上述工作, 从而达到自动调
节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时, 比较成熟且广泛使用的控制方法是采
用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法, 即 PID 法, 其控制规律的数学
模型为:
其中: K P 为比例系数; e 为差值信号, e= T - Tset (T : 温度测量值, Tset: 温度设定值) ;
Ti 为积分常数; Td 为微分常数; V0、V0-1 为当时及前一时刻的控制量。
实现 PID 控制原理的具体方法因系统的不同而不同[2]。在我们的系统中, 采用了
增量式计算方法, 而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中, 其控
制规律的数学模型演化为:
其中: T 为采集周期; ei、ei-1、ei-2 为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。
这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号, 同时输出控制量的初始设定
值不必准确, 就能较快地进入稳定控制过程。
2
3、电路工作原理
图 1 表示了本控制器的电原理图。
图 1 控制器原理图
程序启动后, 首先进行 PID 参数初始化, 最主要的是对 Kp、Ti、Td、T 的初始化, 然
后进入控制循环体。首先是采集温度值, 按上述的 PID 控制规律及压控电流源的控制特性
计算热电偶冷却器的工作电流 I0 的大小及极性, 然后输出到 D/A 转换器, 由其产生 VCCS
的输入控制电压 V0。程序延迟 0.3~0.5s 后, 重复上述过程, 不断根据最新测到的温度
计算最近的控制量。这样多次重复后,就可以达到稳定控制温度的目的。
图 2 给出了程序流程框图。
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