基于单片机的PID控制算法
基于单片机的PID温度控制
间延迟的控制系统 [ 1] , 它可以通过模型设定和频率响应设定两种方法设定 PID 控制器的参数 K p 、、Ti 。Td 假设控制系统模型为：
如图.5 在时域内作系统的阶跃响应曲线,根据曲线可以得出特征参数 k , L 和 T 的值, 有了这些参数, 并假设ê = kL/ T , 则 PID 控制器的参数可以由表 1 求出来。如图.6 在频域内作系统的 Nyquist 图, 可以从图形上直接得出系统 的相位穿越频率ω g 和该点处的增益值 K g , 这样就可以得出 Tg = 2 π / ω g , 这时 PID 控制器的参数也可以由表 1 求出来。
2.1 实物展示
图.1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图.2
图.3
图.4
图.1 是用欧姆龙的温控器，已经集成于机箱中，图.2 是单片机模块，图.3 是 实验室实验平台，图.4 是系统集成模块。
3.1 PID 参数自整定思想
本系统的被控对象是某水壶里的温度, 一般温度可近似用一阶惯性纯滞后环 节来表示, 其传递函数 G s
PID 控制指的是通过调整上式的控制器参数 K p 、Ti 、Td , 使整个控制 系统性能满足工作要求。自整定 PID 控制提供了简单的调整参数的方法, 使其 能够达到较好的控制效果 。常用的自整定 PID 设定参数方法有 :Zieg ler -Nichols 方法、改进的 Zieg ler -Nichols 方法、幅值相位裕度设定方法及最 优整定方法等, 下面将分别介绍各种参数设定方法 (1)Ziegler -Nichols 方法。Zieg ler 和 Nichols 提控制策略给出的控制 结构, PID 控制器模型为出的调节 PID 控制器参数的经验公式适用于具有纯时
3.3
基于单片机PID算法的电加热炉温度控制系统设计
基于单片机 PID算法的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。
本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。
仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。
关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法1引言电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。
因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。
常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。
相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。
本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。
2总体方案设计本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。
图1 系统总体设计方案图2.1系统硬件选择单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。
单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。
它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。
单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。
基于单片机的pid温度控制系统设计
一、概述单片机PID温度控制系统是一种利用单片机对温度进行控制的智能系统。
在工业和日常生活中，温度控制是非常重要的，可以用来控制加热、冷却等过程。
PID控制器是一种利用比例、积分、微分三个调节参数来控制系统的控制器，它具有稳定性好、调节快等优点。
本文将介绍基于单片机的PID温度控制系统设计的相关原理、硬件设计、软件设计等内容。
二、基本原理1. PID控制器原理PID控制器是一种以比例、积分、微分三个控制参数为基础的控制系统。
比例项负责根据误差大小来控制输出；积分项用来修正系统长期稳态误差；微分项主要用来抑制系统的瞬时波动。
PID控制器将这三个项进行线性组合，通过调节比例、积分、微分这三个参数来实现对系统的控制。
2. 温度传感器原理温度传感器是将温度变化转化为电信号输出的器件。
常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器等。
在温度控制系统中，温度传感器负责将环境温度转化为电信号，以便控制系统进行监测和调节。
三、硬件设计1. 单片机选择单片机是整个温度控制系统的核心部件。
在设计单片机PID温度控制系统时，需要选择合适的单片机。
常见的单片机有STC89C52、AT89S52等，选型时需要考虑单片机的性能、价格、外设接口等因素。
2. 温度传感器接口设计温度传感器与单片机之间需要进行接口设计。
常见的温度传感器接口有模拟接口和数字接口两种。
模拟接口需要通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，而数字接口则可以直接将数字信号输入到单片机中。
3. 输出控制接口设计温度控制系统通常需要通过继电器、半导体元件等控制输出。
在硬件设计中，需要考虑输出接口的类型、电流、电压等参数，以及单片机与输出接口的连接方式。
四、软件设计1. PID算法实现在单片机中，需要通过程序实现PID控制算法。
常见的PID算法包括位置式PID和增量式PID。
在设计时需要考虑控制周期、控制精度等因素。
2. 温度采集和显示单片机需要通过程序对温度传感器进行数据采集，然后进行数据处理和显示。
51单片机PID算法程序增量式PID控制算法
51单片机PID算法程序增量式PID控制算法增量式PID控制算法是一种常用的控制算法，可以应用于各种控制系统中。
该算法的原理是通过计算目标值与实际值之间的差异，来调整控制系统的输出，使其逐渐接近目标值。
增量式PID控制算法的核心思想是通过对目标值与实际值之间的差异进行积分和微分计算，来调整控制系统的输出。
这样可以使得控制系统对误差的响应更加敏感，从而实现更精确的控制效果。
在51单片机中实现增量式PID控制算法，可以按照以下步骤进行：1.参数设置：首先需要设置PID控制算法的参数，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。
这些参数可以根据实际控制系统的需求进行调整。
2.变量定义：定义控制系统所需的变量，包括目标值、实际值、误差值、上一次的误差值、累积误差值等。
3.计算误差：将目标值与实际值之间的差异作为误差值进行计算。
4.计算增量输出：根据误差值以及上一次的误差值和累积误差值，计算控制系统的增量输出。
增量输出的计算公式为：增量输出=Kp*(当前误差-上一次误差)+Ki*当前误差+Kd*(当前误差-上一次误差)5.更新变量：更新控制系统所需的变量，包括上一次的误差值和累积误差值。
6.输出信号：将增量输出作为控制系统的输出信号，并进行相应的处理。
通过上述步骤，就可以实现51单片机的增量式PID控制算法。
在实际应用中，可以根据具体情况对算法进行优化和改进，以满足实际控制的需求。
总结起来，增量式PID控制算法是一种常用的控制算法，可以通过计算目标值与实际值之间的差异，调整控制系统的输出，从而实现精确的控制效果。
在51单片机中实现增量式PID控制算法，可以按照参数设置、变量定义、计算误差、计算增量输出、更新变量和输出信号等步骤进行。
根据具体情况可以对算法进行优化和改进，以满足实际控制的需求。
基于单片机的智能电流源PID算法研究
ｒ ｅ ｔ ｕ ｒ ｎ （ ｉ ＿ Ｉ ｑ ） ；
） 先进行 Ｋ Ｉ 项的调整 ． ＫＤ Ｋ Ｐ参数定位零 ．使 Ｐ ｖ曲线在不同的层 此 在本系统中 ． 采用离散增量式 Ｐ Ｉ Ｄ算法 ， 具体控 制过程 为： 单片机 次段按 比例调整它平滑的曲线 ．那么在测量时必定存在的误差值 ．
｝
ｅ ｌ ｓ ｅ ｉ ｆ （ ｉ ＿ Ｅ ｋ ＜ ０ ）
ｆ ｉ ＿ Ｅ ｋ ＝ － ｉ ＿ Ｅ ｋ ；
｝ ｉ ｆ （ ｉ ＿ Ｅ ｋ ＜ １ ）
｛ ｏ ＿ Ｉ ｋ ＝ ０ ；
／ ／ ＥＫ ＜ Ｉ 时 Ｏｉ Ｋ＝０
＿
１ ． 电流源系统软件设计层
由于单 片机在输 出端所得到的信号不能直接提供给负载 ． 但是又 要对电流进行控制 那么在输出得到的电流值首先通过电压 电流转换 器将数字信号转变为模拟电压信号 ． 再通过 电压 电流转换 电路输 出对 应的电流 ， 供给负载 。那么此时单片机再从负载上得到反馈 回来 的电 流信号进行增量式 的 Ｐ Ｉ Ｄ算法调整 软件设计 ： （ １ ） 系统 的初始化 ， 包括各外 围接 口芯 片的初始化 ； （ ２ ） 键盘检测 ， 包括 电流 的预置与步进调整 。（ ３ ） 实现 Ｄ ／ Ａ转换 和 ＭＤ转 换： （ ４ ） 用Ｐ Ｉ Ｄ算法进行电流调整 ， 实现输出电流的精确控制。
｝ ｅ ｌ ｓ ｅ （ ｔ ｅ ｍｐ ０ ＝ ｋ ｐ （ ｉ ＿ Ｅ ｋ 一 １ 一 ｉ ＿ Ｅ ｋ ＿ ． ２ ） ； ／ ／ ｋ ｐ （ Ｅ ｋ 一 １ － Ｅ ｋ ＿ ２ ） ｔ ｅ ｍｐｌ ＝ ｋｐ ＊ ｋ ｉ ＊ ｉＥ ｋ ； ／ ／ ￣ ｔ算 ｋ ， ｉ 、 Ｅｋ
— 一
基于单片机的软件实现PID温度控制系统
姓名：专业：学号：学科：基于单片机的软件实现PID温度控制系统引言随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的高精度性要求越来越高，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。
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和家用电器中得到了广泛的应用，本文主要讨论在家用电器电冰箱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。
通过对实验数据的分析表明单片机的温度控制系统设计的合理性和有效性。
1硬件系统设计本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块，输入通道输出通道等。
硬件总体结构框图如图所示。
图1中，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存储器，构成主控模块零度保鲜箱的温度由铂Pt100电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过位的转换器转换成数字量，此数字量经过数字滤波之后，一方面将零度保鲜箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来，另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比，即控制零度保鲜箱制冷平均功率的大小，进而达到对零度保鲜箱温度进行控制的目的。
控制系统电路的核心器件是Atmel公司生产的单片机,图2所示.它是一种低功耗低电压高性能的位单片机片，内带有一个的可编程可擦除只读存储器，它采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术。
其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容且价格低廉,性能可靠,抗干扰能力强,因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。
为了节省成本和体积采用多路选择开关和AD7705模数转换器协同工作，组成多路数据采集系统.AT24C02是Atmel公司生产的EEPROM器件,存储容量256字节可擦写次数达100万次,主要用来存储设定温度。
2软件实现PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一,在微机测控系统中,软件与硬件同样重要.硬件是系统的躯体,软件则是灵魂,当系统的硬件电路设计好之后,系统的主要功能还是要靠软件来实现,而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能,很多的单片机软件系统都是采用如图2所示的前后台系统也称超循环系统。
基于单片机模糊PID控制算法实验设计
基于单片机模糊PID控制算法实验设计基于单片机的模糊PID控制算法是一种将模糊逻辑和PID控制相结合的控制方法。
模糊PID控制算法在许多工程和科学领域中具有广泛的应用，用于控制各种物理系统，例如机械系统、电子系统和化学系统等。
本文将介绍基于单片机的模糊PID控制算法的实验设计。
一、实验目的本实验旨在通过使用单片机实现模糊PID控制算法，控制一个虚拟物理系统的运动。
通过这个实验，我们可以了解模糊PID控制算法的原理和实现过程，并通过实验结果对其性能进行评估。
二、实验原理模糊PID控制算法是将模糊逻辑和传统的PID控制算法相结合而得到的一种控制方法。
PID控制算法是一种反馈控制方法，它通过测量和计算系统的误差，调整输出控制量，使得系统的运行状态能够接近期望状态。
模糊PID控制算法的原理是，在PID控制算法的基础上，使用模糊逻辑来处理模糊因素，使得控制系统能够对模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。
模糊逻辑是对不确定性和模糊性进行建模和处理的一种方法，它能够通过模糊集合和模糊规则来描述和处理模糊因素。
在模糊PID控制算法中，首先使用一组模糊集合来表示误差和变化率的程度，然后建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量，最后将模糊控制量经过模糊解模糊化得到实际控制量。
这样，通过模糊逻辑的处理，能够使得控制系统对于模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。
三、实验步骤1.设计一个虚拟物理系统，可以使用一个电机控制器和一个电机模拟器来模拟物理系统的运动。
2.根据虚拟物理系统的特性，确定控制系统的输入和输出变量，例如位置和速度。
3.设计一组模糊集合来表示位置和速度的程度，例如“远”、“近”、“大”、“小”等。
4.建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量。
5.设计一个PID控制算法，用于计算系统的误差和调整输出控制量。
6.将模糊控制量和PID控制量相结合，得到最终的实际控制量。
7.使用单片机编程语言，例如C语言，实现上述的模糊PID控制算法。
单片机PID算法程序精编版
单片机P I D算法程序公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-51单片机P I D算法程序(二)位置式P I D控制算法由51单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。
51单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PID运算，再通过DA把控制量反馈回控制源。
从而实现对系统的伺服控制。
位置式PID控制算法位置式PID控制算法的简化示意图上图的传递函数为：（2-1）在时域的传递函数表达式（2-2）对上式中的微分和积分进行近似（2-3）式中n是离散点的个数。
于是传递函数可以简化为：（2-4）其中u(n)——第k个采样时刻的控制；KP——比例放大系数；Ki——积分放大系数；Kd——微分放大系数；T ——采样周期。
如果采样周期足够小，则（2-4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。
（2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。
缺点：1）由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对e(k)(k=0,1,…n)进行累加，工作量大。
2）因为计算机输出的u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。
位置式PID控制算法C51程序具体的PID参数必须由具体对象通过实验确定。
由于单片机的处理速度和ram资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。
这个程序只是一般常用pid算法的基本架构，没有包含输入输出处理部分。
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由图4可知PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差e=w-y。
比较两个方案可知，采用AT89C51单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定使用AT89C51作为该控制系统的核心。根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，设计了水箱温度自动控制系统，总体框图如图2所示。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。
图1 控制系统框图
2.2.1 CPU中央处理器
方案一：采用8031作为控制核心，使用最为普遍的器件ADC0804作模数转换，控制上使用对加热棒加电对水槽里的水升温。此方案简易可行，器件价格便宜，但8031内部没有程序存储器需扩展，增加了电路的复杂性。
方案二：此方案采用8951单片机实现，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。进行数据转换，控制电路部分采用SSR固态继电器控制加热棒的通断，此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。
关键词：单片机AT89C51；温度控制；温度传感器PT1000；PID调节算法
1 前
1.1课题背景与意义
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。采用AT89C51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。目前，温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。现在，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业应用广泛。
基于单片机的PID控制算法
基于单片机的PID控制算法实现
摘要：温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能难以提高，有些工艺过程其温度控制的好坏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。为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以At-mel公司的低功耗高性能CMOS单片机为核心，以PID算法控制来实现的温度控制系统，其硬件电路还包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。
2 系统方案
2.1 温度控制系统设计任务和要求
设计一个温度自动控制系统，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变，系统设计具体要求：温度设定范围为40℃，目标温度的±2℃；加热棒功率2KW，控制器为固态继电器；用十进制数码管显示水的实际温度。
2.2 温度控制系统部分
温度控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图1所示，由控制器、执行器、被控对象及其反馈作用的测量变送组成。测量变送是通过温度传感器Pt1000来传送的。控制器是通过单片机来完成。
图2控制器设计总体框图
2.2.2 温度控制系统算法分析
系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。
PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数 、积分时间常数 、微分时间常数 。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。如图3所示。
1.3课程设计任务
本文主要介绍单片机温度控制系统的设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。以AT89C51为CPU，温度信号由PT1000和电压放大电路提供。电压放大电路用超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度--电压信号进行放大，用单片机控制SSR固态继电器的通断时间以控制温度，系统控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。温度可以在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变，具有较好的快速性与较小的超调。
1.2温度控制系统的应用
盐浴炉温度控制系统利用S型铂铑-铑热电偶检测温度，热电偶进行冷端补偿，热电偶检测的信号通过放大、采样保持、模数转换再送单片机保存，采用分段查表法获取各点温度。选用可控硅过零触发自动控制盐浴炉温度，控制周期为100个三相交流式电周期，即2s。由单片机控制可按预设温度曲线进行加热，并可实时显示加温曲线。大型粮库采用主机为PC上位机，从机为68HC08GP32为主控芯片的分机（下位机）。下位机采用DALLAS的数字式温度传感器芯片DS1820，可以在三根线（电源线、地线、信号线）上同时并联多个温度探测点。每个分机上可以连接10跟电缆，每根电缆上可并联几十个点。分机利用了68HC08GP32的片内FLASH功能，实现了DS1820的序列号在68HC08GP32中的动态存取，从而节省了大量存储器。温度数据保存在68HC08GP32的片内RAM里并且充分利用了68HC08GP32的片内的A/D实现了湿度数据的测量。有的还用PLC来控制总之温度控制系统的控制方式是多种多样的。