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）：])()()([)(0dtt de T dt t e k t e k t U dti 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 TT K i E T T K k E k k E k E TT i E T Tt e k k U d p ki ip p dki i p经化简有：,,,TT K D T T k I k P d p ip p === ---------------①)]1()([)()()(0--++=∑=k E k E D i E I k PE k U ki ---------------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 ki■ 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=6Ti=0.5*Tu=100STd=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。