温度控制pid 过控课程设计

温度控制pid 过控课程设计

摘要

人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色，可以说几乎80%的工业部门都不得不考

虑温度对自身系统的影响，温度是与人类生产生活密切相关的一个物理量，由此便产生了各种各样的温度测量方法。根据测温精度和范围的不同，可选用不同的测温方式。目前常常采用模拟集成温度传感器，该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器的特点是，功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。然而在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，这种以人工的方式直接操作设置仪表很不现实，采用有线数据通信的方式也会受很多环境、质量、功能等方面的限制，在数据记录上也还要靠人工抄写，不能形成自动控制的系统。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影

响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

随着单片机技术的日益成熟，单片机在温度控制上的应用也日趋广泛。本文采用STC89C52单片机采用积分分离式PID算法和带死区的PID算法两种控制方式，并通过对试验结果的

比较，发现对控制精度较高的系统和响应速度较慢的系统带死区的PID算法确实不大实用，而前者在应一定程度上若再辅以微分先行则基本上能满足系统要求。

关键字：STC89C52单片机，PID算法，积分分离式，微分先行。

Abstract

Man's living environment, the temperature plays a very important role, can be said that almost 80% of the industrial sector had to take into account the effects of temperature on their systems, temperature is closely related to human production and life of a physical quantity, thus given rise to a wide range of temperature measurement method. According to the different temperature measurement accuracy and scope may make use of the temperature in different ways. There is often analog integrated temperature sensor, the sensor is made using silicon semiconductor

integrated process, so also known as monolithic integration of silicon sensors or temperature sensors. Such sensors are characterized by single function (only measured temperature), temperature measurement error is small, low prices, fast response, transmission distance, small size, micro-power consumption, suitable for remote temperature measurement, temperature control, no non-linear calibration, the external circuit is simple. However, in many occasions industrial applications, the environment is very bad, this way of direct manipulation to artificially set the instrument is very practical, using wireline data communications, the way will be subject to many environmental, quality, functionality and other aspects, in the data record is also still rely on manual transcription, do not create automatic control systems.

Temperature control is often encountered in the process of industrial production process control, and some process to control the temperature effect on their direct impact on the quality of products, has designed a more ideal temperature control system is very valuable.

With SCM technology has become more sophisticated, single-chip temperature control

applications are becoming increasingly widespread. In this paper, STC89C52 separate microcontroller with integral PID algorithm and the dead-zone of the PID algorithm two kinds of control mode, and through comparison of test results and found that the control system, high precision and response speed of a slower system with dead-zone of the PID algorithm is not really practical, but the former should be supplemented with a certain degree Ruozai first differential is

generally adequate to meet system requirements.

Keywords: STC89C52 microcontroller, PID algorithm, split points, differential first.

目录

一、方案设计

总体方案选择 (3)

方案一

1带死区的PID算法简介 (5)

2算法程序流程图 (7)

3软件设计 (8)

4硬件设计 (9)

方案二

1积分分离式PID算法简介 (14)

2算法程序流程图 (15)

3软件设计 (15)

4硬件设计 (15)

二、总结与展望

1设计总结 (15)

2改进方向 (16)

三、附录

1主程序 (17)

2参考资料…………………………………………………………………

正文

一、方案选择

总体方案选择：

电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。

总体方案一：采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上使用对电阻丝加电使其升温和开动风扇使其降温。此方案简易可行,器件的价格便宜,但8031内部没有程序存储器,需要扩展,增加了电路的复杂性,且ADC0809是8位的模数转换,不能满足本题目的精度要求。

总体方案二：采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,使用12位的高精度模数转换器AD574A进行数据转换,控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。

综上分析,我们采用方案二。系统设计总体框图如下:

图1 控制器设计总体框图

根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以STC89C51单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用3位LED静态显示。该设计结构简单,控制算法新颖,控制精度高,有较强的通用性。所设计的控制系统有以下功能：

·温度控制设定波动范围小于±1%,测量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超调整量小于±4%;

·实现控制可以升温也可以降温;

·实时显示当前温度值;

·按键控制：设置复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键;

·越限报警。

方案一

1、带死区的PID算法

某些生产过程对控制精度要求不是很高但希望系统工作稳定，执行机构不要频繁动作。针对这一类系统，带死区的PID算法应运而生。

所谓带死区的PID，实在计算机中认为的设置一个不灵敏区域β，当偏差的绝对值|e（k）|<β时，不产生新的控制增量，控制量维持不变；当偏差的绝对值|e（k）|>β时，则进行正常的PID运算后输出。带死区的PID控制算法为：0 (|e(k)|< β)

?u(k)={ Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (|e(k)|> β)

-β-β是一个人为设置的死区，β是一个可调参数，其值根据具体对象由实验确定或者根据经验确定，这种控制方式适用于控制精度不太高，控制动作尽可能少的场合。其控制特性在VC++中测得一组控制特性曲线如下图：

图2带死区的PID控制特性曲线

返回

u(k) u(k-1)

e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1)

输出u(k)

u(k)=u(k-1)+?u(k)

?u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

|e(k)|> β

e(k)= r(k)- c(k)

采样r(k)、c(k)

初始化

2、算法程序流程图

3、软件设计在主程序中首先由vc测出PID算法的参数值,然后通过循环显示当前温度,并且设定键盘外部中断为最高优先级,以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器T0为5秒定时,在无键盘响应时每隔5秒响应一次,以用来采集经过A／D转换的温度信号;设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址, 主程序流程图如下：

图4 主程序流程图图5 键盘及中断程序图

4、硬件设计

硬件电路主要有两大部分组成：模拟部分和数字部分：从功能模块上来分有：主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。

1主机电路的设计

主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S51芯片时钟可达12MHz,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节RAM,而且内部含有4KB的flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单、实用。

2I／0通道的硬件电路的设计

就本系统来说,需要实时采集水温数据,然后经过A／D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。

③.1数据采集电路的设计

数据采集电路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等组成。由于控制精度要求为0.1 度,而考虑到测量干扰和数据处理误差,则温度传感器和AD 转化器的精度应更高才能保证控制精度的实现,这个精度可处粗略定为0.1 度。故温度传感器需要能够区分0.1 度;而对于AD 转换器,由于测量范围为40-90 度,以0.1 度作为响应的AD 区分度要求,则AD 需要区分(90-40)/0.1=500 个数字量,显然需要10 位以上的AD 转换器。为此,选用高精度的12位AD574A。

为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0．1℃,其良好的非线形可以保证优于0．1℃的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A／D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。模拟电路硬件部分见图6。

图6温度电压转换电路

2电控制执行电路的设计

由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：

可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分,需要进行隔离处理,这里采用光耦元件TLP521 在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。

单片机PWM 输出电平为0 时,光耦元件导通,从而使三极管形成有效偏置而导通,通过整流桥的电压经过集电极电阻以及射集反向偏压,有7V 左右的电压加在双向可控硅控制端,从而使可控硅导通,交流通路形成,电阻炉工作;反之单片机输出电平为0 时,光耦元件不能导通,三极管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端电压几乎为零,可控硅截止从而截断交流通路,电炉停止工作。此外,还有越限报警,当温度低于下限时发光二极管亮;高上限时蜂鸣器叫。控制执行部分的硬件电路如下图。

图7 控制执行部分电路

④键盘及显示的设计

键盘采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计,低电平有效。图3 中按键

AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定义如表1所示。

按键AN3与P3.2相连,采用外部中断方式,并且优先级定为最高;按键AN5和AN4分别与P1.7和P1.6相连,采用软件查询的方式;AN1则为硬件复位键,与R、C构成复位电路。

表1 按键功能

显示采用3位共阳LED静态显示方式,显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位,这样可以只用P3.0(RXD)口来输出显示数据,从而节省了单片机端口资源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通过74LS164来实现3位静态显示。数字电路硬件部分

图8数字电路硬件

方案二

1积分分离式PID算法

PID控制器中引入积分的目的主要是为了消除静差，提高精度，但在过程的启动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的输出会出现很大的偏差，致使积分部分幅值快速上升。由于系统存在惯性和滞后，这就势必引起系统输出部分出现较大的超调和长时间的波动，特别对于温度、成分等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，有可能引起系统震荡。为防止这种现象，采用积分分离式PID控制算法。其基本思想是：

大偏差时，去掉积分作用，以免积分作用使系统稳定性变差;小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。既保证了系统的动态性能又能使系统无静差。具体算法如下：

?u(k)=Kp[e(k)-e[k-1]]+aKie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2]

1 (|e(k)|<=β)

a={

0 (|e(k)|>β)

a为逻辑变量；β积分分离限，有具体对象确定。Β过大达不到积分分离目的；β过小，一但被控量c(t)无法跳出积分分离区，只进行PD调节，将会出现静差。于是需要将上式改写为：

?Upd(k)=Kp[e(k)-e[k-1]]+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2]；

?Ui(k)=Kie(k)；

若|e(k)|<=β则a=1，取

?u(k)= ?Upd(k)+ ?Ui(k)；

u(k)=u(k-1)+?u(k)；

若|e(k)|>β则a=0，取

?u(k)= ?Upd(k)；

u(k)=u(k-1)+?u(k)；

通过以上变换可以减小系统超调量并减少调整时间。

2算法程序流程图

与方案一基本一致。

3软件设计

与方案一基本一致，算法略有不同。

4硬件设计

与方案一完全相同。

二、总结与展望

1、设计总结

本文没有关于PID具体参数的整定算法，只是利用VC++与单片机通讯试凑得出一组近似参数值，这是本文的不足之处。但是实验实际控制的结果还是相当令人满意的。

通过具体操作学会了VC++6.0的简单应用同时加深了对multism熟练度，也对简单的办公软件有了较好的应用，相信对以后的发展和进步都会有很大帮助，感谢学校和老师给我们提供这种实际制作和操作的课程设计，这次课设真的是我受益匪浅，希望以后有机会多做一些类似的课程设计。

2、改进方向

一方面，采用基于开环控制的递推最小二乘法或者基于闭环响应性能指标的估计法对电加热炉温控系统的一阶惯性加滞后模型参数进行估计，然后由此粗略模型按照基于时域的PID 参数整定规则求得控制器设计参数的初始值。接着，运用仿人智能控制、单神经元控制等先进控制理论在线实时改变PID控制策略，以适应过程的需要，克服系统时变性带来的影响，保证系统在不同温度区域有相同的控制效果，仿人智能PID控制模仿人的经验，根据输出模态进行调整PID参数；神经元PID控制通过在线学习调整连接权系数达到修正PID参数的目的。

另一方面，自调整也是现代控制的一个主要方向，通过对程序的合理设计省去PID参数利用VC++探测的步骤，既减少了工作量又实现了控制程序的通用性。

2、参考文献

【1】苏文平主编．新型电子电路．北京航空航天大学．1999 。

【2】皇普正贤，数字集成电路基础，南京大学出版社，2001 。

【3】胡汉才．单片机原理及系统设计。北京：清华大

学出版社，2002 。

【4】王之芳．传感器应用技术。西安：西北工业大学

出版社，2007 。

【5】邵裕森，戴先中。过程控制工程，机械工业出版社，2009 。

【6】刘国荣，梁景凯．计算机控制技术与应用．机械工业出版社，2009 。