远程温度控制系统：正文---论文篇

引言

温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。

远程温度控制的通信方式有多种，如通过网络，无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。

在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。

在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好，设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计，软件设计，以及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识，以及应该注意的一些事项。

1、温度控制的发展及意义

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。

2 总体设计与可行性分析

2.1 设计任务

1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控制，静态误差1度，超调量〈2.5%，系统温度调节时间ts〈4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温--125℃，用十进制数码显示箱内的温度。

2、采用PID控制算法实现温度实时控制，并显示温度实际值。

3、了解计算机控制系统的基本原理和组成；

4、实现无线发送、接收，编码、解码校验。实现超限报警；

5、掌握计算机控制系统的软、硬件设计与调试，实现满足指标要求的控制系统。

主要技术指标：

（1）温度控制误差：≤±0.5℃；

（2）发射频率：≥300MHZ

（3）发射距离：≥500m

（4）误码率：≤10-6

2.2 总体设计框图及概述述

图 2.0 系统总体设计框图

图 2.1 键盘控制面示意图

如图2.1所示，键盘控制面采用2*4式键盘，K0，K1的功能分别是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分别是加1和减1；K2，K3，K6分别是向从系统00，01，10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。编码解码部分采用通用编解芯片PT2262/PT2272。PT2262/PT2272工作电压低，可进行地址编码，地址码多达531441种，数据最多可达6位。发射接收部分采用F05T，J04T模块，发射接收频率为433M，工作电压3—12V，频率稳定度为0.00001。温度传感器采用“一线总线”数字温度传感器DS18B20，DS18B20测量范围为-55℃—125℃，测量精度为±0.5℃。

2.3 温度采集系统的设计

采用典型的反馈式温度控制系统，如图2.2所示。

图2.2 温度采集系统框图

2.4 数字PID控制

数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛的应用。下面简单介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法及其改进和PID的参数整定及其发展。

2.4.1PID控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例、积分和微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：

u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Tdde(t)/dt] （1）

或写成传递函数形式

G(S)=U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) （2）

式中 Kp是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。简单地说，PID控制器各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

2.4.2数字PID控制算法

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式和增量式控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此模拟式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以和式代替积分，以增量代替微分，作近似变换。采样周期足够短，才能保证有足够的精度。

（1）位置式PID控制算法

由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构，u(k)的值和执行机构的位置是一一对应的，所以通常称

u(k)=Kp{e(k)+T/Ti∑e(j)+Td/T[e(k)-e(k-1)]}} （3）

为位置式PID控制算法。

这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的时间位置，如计算机出现故障，u(k)大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制的控制算法。

（2）增量式PID控制算法

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。

△u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) （4）

式中 A=Kp（1+T/Ti+Td/T）

B=Kp（1+2Td/T）

C=KpKd/T

采用增量式算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量的积累需要采用一定的方法来解决，例如用有累积作用的元件来实现；而目前较多的是利用算式通过执行软件来完成。

增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：

①由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

②手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。

③算式中不需要累加。控制增量的确定，仅与最近K次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；益出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。

2.4.3 改进的数字PID控制算法

在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法：积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。

（1）积分分离PID控制算法

在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。

但在过程的启动、结束或大幅度增减的设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构困难最大的动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。其具体实现如下：

①根据实际情况，人为设定一阀值q>0。

②当|e(k)|>q时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。

③当|e(k)|<=q时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用PID控制，可保证系统控制精度。

（2）遇限削弱积分PID控制算法

积分分离PID控制算法在开始时不积分，而遇限削弱积分PID控制算法则正好与之相反，一开始就积分，进入限制范围后即停止积分。遇限削弱积分PID控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。因而，在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否已超出限制值。若u(k-1)>umax,则只累加负偏差；若u(k-1)

（3）不完全微分PID控制算法

微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但对于干扰特别敏感。在误差扰动突变时微分项有不足之处。即微分项仅在第一个周期有输出，且幅值为KD=KP×TD/T,以后均为零。该输出的特点为：

①微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。

②幅值一般比较大，容易造成计算机中数据溢出。

克服上述缺点的方法之一是，在PID算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器），既可构成不完全微分PID控制。可以将低通滤波器直接加在微分环节上，也可将低通滤波器加在整个PID控制器之后。

引入不完全微分后，微分输出在第一个采用周期内的脉冲高度下降，之后又逐渐衰减。所以不完全微分具有较理想的控制特性。尽管不完全微分PID控制算法比普通PID 控制算法要复杂些，但由于其良好的控制特性，近些年来越来越得到广泛的应用。

（4）微分先行PID控制算法

微分先行PID控制的特点是只对输出量c(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分。这样在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常总是比较缓和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值r(t)频繁升降的场合，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性。

（5）带死区的PID控制算法

在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制。设死区为e0，当|e(k)|≤e0时，令e'(k)=0;当|e(k)|>e0时，令e'(k)=e(k)。式中，死区是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。此控制系统实际上是一个非线性系统。

2.4.4PID参数整定

在数字控制系统中，PID参数是影响调节品质的重要参数，闭环系统正式使用前，必须对PID参数进行整定，整定点通常设定在目标值。

整定PID参数的原则:

（1）要使控制系统的过程过渡时间尽量短

（2）最大偏差和超调量要小

（3）扰动作用后减幅振荡的次数尽量少

（4）恒温曲线要求尽可能平直;静差要小

整定PID参数的方法主要有：

（1）理论整定法：所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性和控制准确度的要求从理论上得出各参数的整定数据。从PID的理论概念分析可知:

①要使过渡过程尽可能短,应选较小的P,较短的Ti和适量的Td

②要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较大的P,较长的Ti和尽可能短Td

整定时既要满足前者，又不可忽视后者，从优选法的观点出发考虑到PID参数的折中选取，故将P和I整定到中间值,而D参数的整定应该根据炉体的具体使用情况而定。若在系统的调节过程中不会有过大的阶跃扰动出现,D应尽可能小,甚至不用（2）经验法：实际上是一种试凑法。PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是经验法的核心,整定参数预先放置的位置要根据对象特性及参考仪表的量程而定。对于一般热处理炉的温度调节系统，可按下列参考数据进行： 为20%～70%或更小;Ti为(3～10)min；Td为（0.5～3）min。试凑程序可先用P,再加I,最后再D。炉温控制的准确度，不但取决于仪表本身的准确度和性能，也取决于它所控制对象的特性，要使仪表使用合理，并达到最佳控制，必须使仪表和炉体很好地配合，正确地调整。

2.5 可行性分析

可行性分析与总体设计对于实现一个设计方案来说是必不可少的，而在对一个方案进行总体设计之前必须对其进行可行性分析。盲目行动很有可能导致失败，从而造成不必要的经济损失和资源的浪费。而进行可行性分析与明确所要完成的任务的目标和所选的器件是分不开的。本次远程温度控制的设计要达到如下目标：

（1）主系统采用键盘输入方式设定温度值并显示；

（2）利用无线电进行通信；

（3）一对多点通信，对各通信点进行编址；

（4）对温度进行控制；

（5）温度信号采集。

综合考虑上面描述的功能并结合自己的具体情况，选用如下的器件来实现：

①选用常用的89S51单片机作为控制器；

②选用带地址编码的编码芯片PT2262以及与之配套的解码芯片PT2272。

③选用发射模块F05T和接收模块J04T进行无线电通信。

④选用数字温度传感器DS18B20进行温度采集。

3 硬件设计

3.1 温度采集电路设计

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

3.1.1DS18B20的内部结构

DS18B20内部结构如图3.1所示。

图3.1 DS18B20的内部结构

从图中可以看出，DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂