温度控制系统及控制方案

温度控制系统及控制方案

08自动化侯伟08378094

【摘要】：本设计采用51单片机与pc机相结合，使用ADC0809对温度进行采样，所得的数据使用中位值平均滤波法进行滤波，然后使用专家模糊PID控制算法对加热炉进行控制，能够进行恒温定点加热，也能够使其温度按工艺所要求的温度曲线变化，在不同时段按要求加热。

【关键字】：PC机51单片机炉温控制专家模糊PID控制滤波

一、概述

温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方式也各不相同。

系统用温度传感器将检测到的实际炉温A/D转换，51单片机把所得值与设定值进行比较，使用专家模糊PID算法进行修正，求得对应的控制量控制可控硅驱动器，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。因此采集的炉温数据精度至关重要。利用51单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、缓冲、转换、并进行PID实施控制，包括各参数数值的修正，并把数据传输给PC机进行动态直观显示，同时也可以通过PC机设定参数。但在控制过程中应该注意，采样周期不能太短，否则使调节过于频繁，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率大为降低。采样周期太长,也是不合适，因为干扰无法及时消除，使调节品质下降。随着单片机在各行业控制系统中的普遍采用，其构成的实时控制系统日臻完善，使该温度控制系统的总体性能大大提高，功能更趋完善，并详细介绍了该系统的软、硬件实施手段及系统特点。

二、温度控制系统的硬件组成框图与其详细功能介绍

PC机：根据51单片机传输过来的值绘制T－t曲线，同时在调试过程可以给单片机传输参数，而在曲线跟踪过程中也是通过pc机给单片机传输某时刻的设定值。

51机：接收adc采样得到的数值，并进行滤波处理，根据所得到的数值进行专家模糊PID控制，得到相应的PWM值，直接通过控制继电器的通断控制温控箱加热棒和风扇的通断。同时传输相关的数据给PC机进行显示，也接收PC机的温度设定值。

继电器盒：接受51机的通断信号，弱电控制强电，对加热棒及风扇进行控制。分为手

动和自动两种方式

加热棒：对温控箱加热，可通过改变通断的占空比来调节加热的速率风扇：对温控箱降热，通过改变通断的占空比来调节降热的速率

加热箱：被控对象，特点：延时大，温度在一定范围内是线性变化的。

硬件电路

三、控制流程

（一）程序设计

●51机

程序流程图如图2所示：

●PC机

程序流程图如图3所示。

1、MSComm控件

（1）通信方式

PC机和51机之间采用RS-232C串口通信，选用Visual Basic 6.0编写控制软件。使用MSComm通信控件控制串口通信。MSComm是微软公司提供的用于Windows下串口通信的ActiveX控件。应用程序可以通过它简单而方便的通过串口收发数据。MSComm控件提供了两种通信方式：事件驱动和查询。

事件驱动是串口交互通信中的一种非常有效的方法。当串口接收缓冲区中收到数据，或者串口发送完毕之类的事件发生时，系统将事件转换为消息，在MSComm控件中体现为CommEvent属性值的变化。利用MSComm控件的OnComm事件可以捕获并处理这些消息，从而实现串口通信的编程。

查询实质上还是属于事件驱动的范围，因为查询是通过每隔一段时间就查询一次MSComm控件的CommEvent属性的值来查询发生的事件和出现的错误。一旦CommEvent 的值发生变化，说明有通信事件或者错误发生。

（2）MSComm控件编程

A．MSComm控件的初始化

对MSComm串口的初始化一般要完成以下的设置：设定端口号（CommPort）、设定传输协议（Settings）、设定其他参数、打开通信端口。

B．捕捉串口事件

在窗体设计中，双击窗体中的MSComm空间，会自动弹出代码窗口，系统会自动生成OnComm子程序并定位光标在OnComm子程序。我们可以在里边编程设定发生OnComm事件后应当执行的操作。

C．串口数据的读取

在MSComm控件中，对接收缓冲区的读取有两种方式，一种是文本形式，一种是二进制形式。对于文本形式来说，需要在初始化时设置InputMode属性为comInputModeText，读取时可以直接将接收缓冲区赋值给一个String字符串变量。

对于二进制形式的数据来说，读取数据稍微麻烦一点。即使我们只接收到一个字节的数据，都无法用数值类型变量接收数据。通过查阅MSDN我们知道，Input属性通过一个Variant变体变量返回一个二进制数组，所以我们既可以用Variant变量接收，接受后的变量作为二进制数组使用，也可直接用二进制数组接收。

D．串口数据的写入。

在MSComm控件中，发送数据同样有两种方式。一种是文本方式，另一种是二进制方式。对于文本方式，直接将一个字符串变量传递给Output属性就行了。

2、温度曲线的绘制

（1）画图框

首先建立一个PictureBox画图框picture1，所有的曲线绘制工作都在这个画图框中进行。画图框有一个重要的布尔属性AutoRedraw，缺省值为False，当程序窗口被遮盖时，再切换回程序，之前绘制的图形中被挡住的部分会被擦去；设置为True后，切换回程序，系统会自动重新绘制被擦去的部分。

（2）确定绘图点的位置

VB给我们提供了自己的坐标系。即：画图框左上角为原点（0，0），往右为X方向，向下为Y方向。为画图方便，系统设定picture1的大小为（0,0）-（1200,100），而时钟为1s，所以picture1的一个点对应1秒，总时长20min，而纵坐标即温度值。但实

验中温度范围为没有0到100，故把纵坐标设为30-80，Y 值也需由式子Y=（T-30）*2得到。

（3）绘图方法

Pset 方法（点）、Line 方法（线）、Circle 方法（圆）

（二）系统的算法与基本原理

1、数据采集与滤波

实验中采样时间为1s 采集10个数据，但是采集的数据不稳定，必须进行滤波处理，根据采集数据的特点选择了中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）连续采样N 个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2 个数据的算术平均值。但是单单该算法数据还是有不少的波动，于是再把所得的结果与上次的结果进行平均处理。这样得到的数据就基本稳定了，但还有一个问题，就是由于变送器出错会使温度值出现坏点，于是进行了二次滤波，即根据所得的结果与上次的结果进行比较，若偏差大于2.5度则认定为坏点，同时把上次的结果赋给这次的结果。

2、控制算法

对于炉温控制，其方框图为：

系统框图

■ 普通PID 控制算法

PID 算法作为简单有效的控制方法，具有极强的通用性。控制器的算法为 （E （t ）为误差）：

])

()()([)(0

dt

t de T dt t e k t e k t U d

t

i p ++=? 经数字离散化，控制器（其中T 为采样周期，我们设置为3S ）为：

)]

1()([)()()]}1()([)()({)(0

--+

+

=--+

+

=∑∑==k E k E T

T K i E T T K k E k k E k E T

T i E T T

t e k k U d p k

i i

p p d

k

i i p

经化简有：

,,,T

T K D T T k I k P d p i

p p =

=

= ---------------①

)]1()([)()()(0

--++=∑=k E k E D i E I k PE k U k

i ---------------②

经PID 控制器输出U （T ），作为占空比的控制。

■ 积分分离PID 控制算法

虽然PID 易于实现，但当输入的偏差太大时，容易产生因积分溢出引起振荡。积分分离PID 算法就是判断当误差超过一定程度的时候，撤消积分影响。 数字化后的控制器为：

10)],1()([)()()(0

或=--++=∑=ααk E k E D i E I k PE k U k

i

■ 前馈校正加PID 算法

由于PID 控制是一种误差消除的过程，总是会出现振荡过程，而且无论是多好的PID 参数，一旦输入量发生变化，仍然要经过同样的振荡过程。加入一个前馈校正，根据输入变化对PID 输出值进行校正，这样可以消除振荡，使输出趋势更加准确。其方框图为：

前馈控制框图

即是对于输入的现在斜率变化，和一段时间后的斜率变化作对比，出现一个差值，作为PID 控制器输出的调整量。

（三）试验过程

用计算机控制一个工业生产过程时，必须先将过程中表达因与果、量与量之间的关系用数学形式描述出来，编好程序存入计算机，才能实现控制有关的生产过程。对数学模型的建立有阶跃响应法、脉冲响应法、相关函数法等多种方法。 1、 炉子模型建立及PID 参数的初步确定

采用阶跃响应方法，对炉子的数学模型K/（1+Ts ）（1+τs ）进行多次测试。经分析可得以下参数：

炉子时间常数T=5~8min ，K=0.6~1.2,延迟时间τ=0.5~2.5min

由已得参数， 采用Matlab 仿真，根据临界比例系数法可先得出一个近似得比例系数，为实验做好准备。

Simulink仿真框图

得到等幅振荡响应:临界比例系数Ku=10,振荡周期Tu大约为200s

在实际实验当中，用临界比例系数法得Tu=220S基本相符。

根据经验PID参数与Ku，Tu的关系，有：

Kp=10/1.67=6

Ti=0.5*Tu=100S

Td=0.125*Tu=25

代入①式，有：

P=6，I=0.18（选用0.2）,D=50(选用45)

按此作为PID控制器初步参数。

2、实际试验过程及算法的调整

1）定温算法

实验中试验了该PID算法，但由于所用的炉子功率太小，导致出现超调之后温度很难降下来，也使炉温出现长时间的震荡，所用实验采用了让风扇全开，通过控制加热棒是炉子稳定到所需的温度。根据炉子的温度曲线走向趋势，采用了专家PID算法，即编程使炉子的曲线按自己想要的方向发展。通过不断的修改算法与试验，最终得到的算法大概如下：先让炉子全速升温，在炉子温度上升到设定温度10度误差范围内时采用带积分分离的PI控制算法，而D分量分离开来作为判断依据。根据D分量判断炉子是升温还是在降温，在升温过程出现负偏差时，马上关掉加热棒，而在降温过程中负偏差大于两度时才关闭加热棒。其他时候都是根据PI算法得出的结果控制加热棒的开关占空比。积分值设了一个上限，但误差积分超过该上限则积分值为该上限值，若积分值继续增大的另一个上限则把积分值设为0，重新累计误差。而上限值的选取在不同温度时可选不同的值，在调整过程中可以设的大一点，而在稳态时可以设小一点，从而使炉温更加稳定。该算法得出的结果如下图：

由图可见除去一两个坏点（是由于变送器引起的，虽然经过二次滤波后数值减小了，

但依旧可以看到），炉子温度稳定在65度左右，误差1度。

2）跟踪曲线算法

该算法基于定温算法，再根据实际曲线的趋势进行调整。首先加入了模糊控制量，因为温度变化范围比较大，在不同的温度范围内需对P进行调整。其次D分量在该过程的作用更加的明显。基于定温算法，在升温过程曲线是趋于稳定状态的，即D分量会有等于0的情况。（因为温度是个缓慢变化的量，在2s的采样时间内即使温度是处于上升趋势，D分量也基本为0故D的采样时间增大到10s）若出现该情况则应加大炉子的PWM，使炉子有升温的趋势，即强制升温。其次在稳定在65度然后升温时会出现滞后，此时需加超前处理算法，即在接近拐点处就给炉子一定的PWM加热，使其到达拐点时刚好处于升温趋势。以下是实验过程的一些截图：

未加D判断和超前处理时的曲线，即修改kp值和积分上限得到的结果

增加D判断的结果，在拐点处的滞后使得后一段曲线不能很好的跟踪，而且可看出后一段的强制升温值设小了偏离曲线后无法跟上去。

跟踪的很好。

四、设计总结与扩展

（一）总结

1、硬件驱动

实验中，由51机的P1口对温控箱的开关炉进行控制，更细微的说，是对温控箱里的继

电器进行控制，当P1口输出一个高电平时，给继电器一个驱动电流，让继电器吸合，即开关闭合，但由于P1口输出驱动电流不够，所以需要增加一个可以增大P1口输出电流的器件，这样才能使得51机正常控制温控箱的开关。

2、控制周期（实际系统的采样周期）的固定问题

对于数字系统，其采样周期是很有讲究的，关系到控制效果和系统的稳定。对于一个温度系统，惯性比较大的系统，按照经验，其采样周期为几秒到10几秒范围。经过多次试验，大约1秒的采样周期会有更好的控制效果，而加热棒的PWM周期设为2s，这样的选择使其稳定性，收敛性，抗干扰性都会好很多，避免过于频繁的开关操作，既能保护继电器，又能使得系统的反应在预期之内。

3、滤波的重要性

由于环境干扰的存在，有必要进行适当的滤波。虽然我们是每10个采样点作为一次PID 运算的输入，系统干扰的可能性比较低，但经过多次试验，如果有干扰，系统响应会付出多重代价，包括引发振荡，跳出限幅范围，甚至引起发散。

降低这种可能性的最有效方法，就是滤波设计。做法有多种，针对于所得的炉温数据，我们采用了中位值平均滤波法，因为该算法融合了中值滤波和平均值滤波两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。然后根据实验过程出现的坏点又进行了二次滤波。

4、对于温度控制的一些别的体会

身为本组的队长，特别体会到团队协作的重要性，一个比较大的系统经过分工可以变得更加的简单。同时也感到不少压力，因为队里成员的实践水平都不是很高，整个系统都得由我连接起来，虽然分工使得工作减少了，但是每个人的风格和水平不同，若没有扎实的基础和比较丰富的实践经验则很可能使连接起来的系统不能如期的工作，这样将使各个有效的环节的成为垃圾。因为单片机与PC机通信方面以前没做过，所以使得实验过程滞后了，但这不影响实验的顺利进展，我们通过把算法在单片机里实现解决了该问题，同时该问题后面也解决了，从而使曲线跟踪有可能进行。对于温控这样的系统，单片机的处理速度已经是绰绰有余了。最后还是不得不抱怨一下，因为温度的变化实在是太缓慢了，更改一个参数就得等好长一段时间才能看到结果……不过当出现的结果终于达到想要的时，那一刻的激动更是无法形容了。

（1）pc机vb程序（包括串行通信，数据接收等，跟踪曲线等等）

Dim Xinterval, Yinterval As Integer 'Xinterval：每一个时间单位对应x轴多少个单位，Yinterval：每一摄氏度对应图象上y轴多少个单位

Dim X, Y, preX, PreY As Double '当前坐标和前一个坐标

Dim i As Integer

Dim temp_set As Double

Dim MinX, MaxX, MaxY, MinY As Integer

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub Form_Load()

https://www.360docs.net/doc/916117229.html,mPort = 1

MSComm1.Settings = "1200,N,8,1"

MSComm1.InputLen = 0

MSComm1.InBufferSize = 1024

MSComm1.OutBufferSize = 512

MSComm1.SThreshold = 0

MSComm1.RThreshold = 3

MSComm1.InBufferCount = 0

MSComm1.OutBufferCount = 0

MSComm1.InputMode = comInputModeBinary

MinX = 0

MaxX = 20 * 60

MinY = 0

MaxY = 100

Yinterval = 1

Xinterval = 1

Picture1.Scale (MinX, MaxY)-(MaxX, MinY)

Timer1.Enabled = False

Timer2.Enabled = False

Timer3.Enabled = False

End Sub

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub DrawCurve()

preX = X

PreY = Y

X = X + Xinterval

Y = (Val(NowTemp.Text) - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y)

'Picture1.Line (preX, PreY)-(X, Y), 2

End Sub

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub Picture1_Click()

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub start_Click()

If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True

Timer1.Enabled = True

darwbackline

Form_XY

End Sub

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub Stop_Click()

If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False

Timer1.Enabled = False

Timer2.Enabled = False

Timer3.Enabled = False

End Sub

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub Redarw_Click()

Picture1.Cls

darwbackline

X = 0

Y = 0

End Sub

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Private Sub Set_temp_Click()

Dim out_data(0) As Byte

If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True

out_data(0) = Val(Settemp.Text)

MSComm1.Output = out_data

Com_State.Text = "正在传数..."

End Sub

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub MSComm1_OnComm()

Dim datin() As Byte

datin() = MSComm1.Input

Y = datin(0)

pwm.Text = CStr(datin(1))

wanttemp.Text = CStr((datin(2) - 5) / 2)

Set_P.Text = CStr(datin(3))

Get_AD.Text = CStr(Y)

Com_State.Text = "正在接收数据..."

NowTemp.Text = CStr((Y - 5) / 2)

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub Timer1_Timer()

DrawCurve

End Sub

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub Form_XY()

Dim X!, Y!, i%

Form1.Scale (-9, 9)-(9, -9)

CurrentX = 7: CurrentY = -7.2: Print "时间（min）"

CurrentX = -8.5: CurrentY = 4.5: Print "温度（C）"

For i = 0 To 20 'X轴坐标

Line (i * 7 / 10 - 7, -7.2)-(i * 7 / 10 - 7, -7)

CurrentX = i * 7 / 10 - 7 - 0.2

CurrentY = -7.5

Print i

Next i

For i = 0 To 5 'Y轴坐标

Line (-7.2, i * 11 / 5 - 7)-(-7, i * 11 / 5 - 7)

CurrentX = -8

CurrentY = i * 11 / 5 - 7 + 0.1

Print i * 10 + 30

Next i

End Sub

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub darwbackline()

Dim X!, Y!, i%

For X = 0 To 1200

If X Mod 60 = 0 Then

For i = 1 To 200

Y = i / 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 200, 0)

Next i

Else

For i = 1 To 50

Y = i * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 200, 0)

End If

X = X + 2

Next X

End Sub

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub follow_line()

If i <= 300 Then

Settemp.Text = CStr(55 + i / 30)

Else

If i <= 480 Then

Settemp.Text = CStr(65)

Else

If i <= 780 Then

Settemp.Text = CStr(65 + (i - 480) / 30)

Else

If i <= 900 Then

Settemp.Text = CStr(75)

Else

Settemp.Text = CStr(75 - (i - 900) / 30)

End If

End If

End If

End If

End Sub

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub followline_Click()

Picture1.Cls

darwbackline

i = 0

Timer2.Enabled = True

darwline

End Sub

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Private Sub darwline()

Dim X!, Y!

For X = 0 To 1200

If X <= 300 Then

Y = 55 + X / 30

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

Else

If X <= 480 Then

Y = 65

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

Else

If X <= 780 Then

Y = 65 + (X - 480) / 30

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

Else

If X <= 900 Then

Y = 75

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

Else

Y = 75 - (X - 900) / 30

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

End If

End If

End If

End If

X = X + 2

Next X

End Sub

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub Timer2_Timer()

Dim out_data(0) As Byte

If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True

i = i + 1

follow_line

out_data(0) = Val(Settemp.Text)

MSComm1.Output = out_data

End Sub

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub follow_line2()

Settemp.Text = CStr(65 + 10 * Sin(2 * 3.1415926 * i / 1200))

End Sub

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Private Sub darwline2()

Dim X!, Y!

For X = 0 To 1200

Y = 65 + 10 * Sin(2 * 3.1415926 * X / 1200)

Y = (Y - 30) * 2

Picture1.PSet (X, Y), RGB(0, 0, 255)

X = X + 2

Next X

End Sub

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub followline2_Click()

Picture1.Cls

darwbackline

i = 0

Timer3.Enabled = True

darwline2

End Sub

---------------------------------------------------------------------------------------------------

Private Sub Timer3_Timer()

Dim out_data(0) As Byte

If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True

i = i + 1

follow_line2

out_data(0) = Val(Settemp.Text)

MSComm1.Output = out_data

End Sub

------------------------------------------------------------------------------------------------------

（2）单片机定温程序（主要是专家PID算法，AD温度采用，数据输出）

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

unsigned char xdata *ad=0xcfa8;

uchar TEMP_MAX=200 ;

uchar TEMP_DEADLINE=1;

uchar TEMP_KP=11;

uchar TEMP_KI=20;

uchar TEMP_KD=3 ;

uint count1,count2,count3,count4; uchar temp[10]=0;

uint average_temp1;

uchar average_temp;

uchar last_average_temp;

uchar temp_pwm;

sbit stover=P3^4;

sbit fan=P3^5;

sbit ad_eoc=P3^3;

uchar receive_buf[4];

uchar temp_Ref;

int temp_PreError;

int temp_PreDerror;

int temp_PreU1;

int temp_PreU;

uchar temp_kp1;

uchar temp_ki1;

uchar temp_kd1;

uchar TEMP_MIN;

uchar temp_kp2;

uchar temp_ki2;

uchar temp_kd2;

uchar KI;

int error_count;

int error_count2;

int error_count3;

uchar de_flag=0;

uchar last_temp;

uchar flag1=0;

char I_max=15;

char I_min=-15;

void temp_PIDInit ()

{

temp_Ref = 0 ;

average_temp = 0 ;

temp_PreError = 0 ;

temp_PreDerror = 0 ;

temp_PreU = 0;

temp_kp1=TEMP_KP;

temp_ki1=TEMP_KI;

temp_kd1=TEMP_KD;

temp_kp2=temp_kp1;

}

uchar temp_PIDCalc()

{

int error,d_error,dd_error;

if(temp_kp1!=temp_kp2)

{

temp_kp1=temp_kp2;

temp_PreError=0;

temp_PreDerror=0;

temp_PreU=0;

}

if (average_temp > 2)

TEMP_MIN = 0;

else

TEMP_MIN = TEMP_MAX;

error = temp_Ref - average_temp;

temp_PreError = error;

temp_PreDerror = d_error;

count4++;

error_count+=error;

error_count2+=error;

if(count4>=10)

{

if((last_temp-average_temp)<0)

{

de_flag=1;

}else

{

de_flag=0;

}

d_error=last_temp-average_temp;

temp_PreDerror = d_error;

last_temp=average_temp;

error_count2=0;

count4=0;

}

if(error_count>I_max)

{

error_count3=I_max;

if(error_count>I_max+10||error_count2<0)

{

KI=0;

error_count=0;

}

}

else if(error_count<=I_min)

{

error_count3=I_min;

if(error_count0)

{

KI=0;

error_count=0;

}

}

else

{

error_count3=error_count;

KI=1;

}

if(error>=20)

temp_PreU=200;

else if(error<0)

temp_PreU=0;

else

{

temp_PreU1=temp_kp1 * (temp_Ref-5)+KI*temp_ki1*error_count3;

temp_PreU= temp_PreU1/20-2;

}

if(error<0&&error>-4&&de_flag==1)