基于PID控制的温度控制系统

河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘要随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。PID温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。本文主要讨论在过程控制中得到广泛应用的数字PID控制在单片机温度控制系统中的应用。 本文详细阐述了基于PID控制的温度控制系统的硬件组成、软件设计及相关的接口电路设计。并且充分考虑了系统的可靠性，采取了相应的措施予以保证。针对控制对象的特点，在系统辨识的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究，并在单片机系统中实现了控制算法。最后针对温控系统进行了实验，通过对实验数据的分析表明本文所述的基于PID控制的温度控制系统的设计的合理性和有效性。关键词:单片机,温度控制,数字PID控制I河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractAbstractWith the improvement of control theory and electric technology, the intelligent control for industry has been accomplishing. The digital controller based on Microcontroller has been applied widely, as its cabinet cubage, low-cost, abundant function, simple and convenient. PID temperature controller, as an important control device, has been widely used in producing chemical products, foods and many other fields. The paper mainly introduces the application of the digital PID control algorithm, which, at present, is popularly used in digital control system, in Microcontroller temperature control system. The hardware and software of the temperature control system and the design of relevant interface circuit are described in this paper. The reliability of the system is specially considered, and a series of measures are realized. According to the difficulty to control of the system, methods of system control are analyzed based on the system identification, and realized the control algorithm in the Microcontroller system. The experiment data shows that the design of temperature control system based on Microcontroller is availability and rationality.Key words: Microcontroller, Temperature Control System, digital PID controlV河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录目录摘要.Abstract.第一章 绪论.11.1 概述.11.2 温度测控技术的发展与现状.11.2.1 定值开关控温法.21.2.2 PID线性控温法.21.2.3智能温度控制法.31.3 系统总体设计方案.31.3.1 系统性能要求及特点.31.3.2 系统硬件方案分析.41.3.3 系统软件方案分析.51.4 本文主要工作及章节安排.61.4.1 本文主要工作.61.4.2 本文结构安排.6第二章 系统硬件设计.72.1 系统硬件总体结构.72.2 主控模块器件选型及设计.72.2.1 单片机的选用.72.2.2 单片机介绍.82.2.3 主控模块设计.92.3 输入通道设计.102.3.1 Pt100温度传感器.102.3.2 A/D转换.122.4 输出通道设计.142.4.1 温控箱的功率调节方式.142.4.2 可控硅输出电路.152.5 键盘电路设计.172.6 显示电路设计.182.7 保护电路设计.192.8 硬件抗干扰措施.20第三章 系统软件设计.213.1 软件设计思想.213.2 软件组成.223.3 主程序模块.223.4 数据采集模块.233.5 数据处理模块.243.5.1 数字滤波.243.5.2 显示处理.263.6 软件抗干扰措施.26第四章 系统控制方案.274.1 PID控制.274.1.1 PID控制的发展.274.1.2 PID控制理论.274.1.3 PID控制算法.284.2 温控箱数学模型的确定.294.2.1 温控箱特性分析.314.2.2 温控箱数学模型的辨识.314.3 PID控制参数整定.334.4 MATLAB仿真.33第五章 结论.355.1 总结.355.2 展望.35参考文献.37致谢.38附录A.39附录B.42附录C.43附录D.45河南城建学院本科毕业设计（论文） 插图清单插图清单图2.1 硬件总体结构框图.7图2.2 AT89C52单片机DIP封装的引脚.9图2.3 复位电路和时钟电路.9图2.4 铂电阻温度传感器采样电路.10图2.5 AD7705引脚图.13图2.6 A/D转换电路.14图2.7 相位控制调功电压波形.14图2.8 通断控制调功电压波形.15图2.9 交流SSR工作原理框图.16图2.10 可控硅输出电路.17图2.11 键盘电路.18图2.12 显示电路.19图2.13 保护电路.19图3.1 前后台系统.22图3.2 主程序流程图.23图3.3 数据采集模块程序流程图.23图3.4 A/D转换程序流程图.23图3.5 去极值平均滤波程序流程图.25图4.1 PID控制系统原理框图.27图4.2 增量式PID控制算法程序流程图.29图4.3 通断时间比为10%的响应曲线.32图4.4 通断时间比为30%的响应曲线.32图4.5 PID控制仿真的Simulink框图.33图4.6 阶跃信号曲线.34图4.7 阶跃、误差响应曲线.34河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论第一章 绪论1.1 概述 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。 在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。 另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。 鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。1.2 温度测控技术的发展与现状 近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。 在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是:简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是:不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于PID控制的温度控制系统就是要实现恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。 从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种:1.2.1 定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性控温法 这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器, 其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.2.3智能温度控制法 为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。1.3 系统总体设计方案本论文所讨论的基于PID控制的温度控制系统是对被控对象温度进行恒值温度控制，以温控箱为例。温控箱的温度控制范围在室温到摄氏600度之间，温度控制的精度要求为士0.1 0C。下面讨论系统的总体设计方案，包括:系统的性能要求及特点以及系统的软、硬件方案分析。1.3.1 系统性能要求及特点 系统性能要求: 1)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制; 2)能够实现对温控箱温度的测量并且通过控制面板上的数码管显示出来; 3)具有加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温控箱温度值超过了系统规定的安全温度，保护电路就会做出反应，从而对温控箱实现超温保护; 4)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便; 5)系统可靠性高，不易出故障; 6)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。 系统特点: 鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点: 控制主板采用AT89C52作为核心芯片。作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用Pt100铂电阻作为温度传感器，而Pt100铂电阻在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的精确度。本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了D/A转换环节。 整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。1.3.2 系统硬件方案分析 目前，温度控制仪的硬件电路一般采用模拟电路(Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。 模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory) 、只读存储器ROM(Read only Memory)、定时/计数器以及I/O(Input/Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC (System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM和ROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑,硬件结构简化。 从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C52单片机是ATMEL公司生产的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C52为核心器件组成的控制系统。此外，在选取外围扩展芯片时，本着节约成本的原则，尽量选取典型的、易于扩展和替换的芯片及器件。1.3.3 系统软件方案分析 目前，MCS 51单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点: 具有结构化控制语句 结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试; 适用范围大和可移植性好 同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10%-15 %).所以，本系统的软件选择使用C语言开发。 由于整个系统软件比较复杂，