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1、. . . . 摘 要工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。本课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义，设计了一种基于PID的恒温控制系统。设计容包括硬件和软件两个部分。硬件电路以AT89S52单片机为微处理器，详细设计了为单片机提供电的电源电路，温度信号采样电路，键盘及显示电路，加温控制电路等四大电路模块。软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程。PID参数整定采用的是归一参数整定法。本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号
2、的偏差进行PID计算，输出控制信号给加温控制电路，实现加温和停止。显示电路实现现场温度的实时监控。本系统PID参数整定在MATLAB软件下SIMULINK环境中进行了仿真，通过稳定边界法整定得到、参数，最终系统无稳态误差，调节时间为30s，无超调量，各项指标均满足设计要求。本系统实现简单，硬件要求不高，且能对温度进行时实显示，具有控制过程的特殊性，本设计提出了一种基于PID算法来实现恒温控制的温度控制系统，主要是为了达到生产过程中对温度控制速度快，准确性高等特点。关键词：恒温控制，单片机，PID算法，MATLAB仿真ABSTRACTIndustrial production is a one-
3、way temperature control, delay, the inertia and time-varying characteristics, To achieve the rapid temperature control and accuracy, improving the quality of products is a very important practical significance. The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of
4、 temperature, Based on the design of a PID temperature control system. Design elements include hardware and software in two parts. Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors, for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply circuit, Temperature signal sampling ci
5、rcuit, keyboard and display circuits, such as heating control circuit four circuit module. Software major part of the PID algorithm is a mathematical modeling and programming. PID tuning parameters are used to a fixed parameter. The circuit design of the keyboard input from the set temperature signa
6、l to the microcontroller, Temperature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller, According to SCM input and feedback signal, the error for PID, the output control signals to the heating control circuit, Heating and achieve stop. Show circuit scene of the real-time
7、monitoring of temperature. The system PID tuning parameters in MATLAB software under SIMULINK environment for the conduct of the simulation, By stabilizing the border will be the entire law, and parameters, the end system without steady-state error and adjust to the 30s, no overshoot, all targets we
8、re met design requirements. The system is simple, and hardware, but also the real-time temperature, with the particularity of the control process, The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system, the main aim is to achieve the production proce
9、ss for the temperature control speed, high accuracy. Keywords: Temperature control, microcontroller, PID algorithm, MATLAB 目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 方案论证3 1.2.1 方案一利用单片机实现恒温控制系统3 1.2.2 方案二利用PLC实现恒温控制系统4 1.2.3 方案三利用模拟PID调节实现恒温控制系统41.3 设计方案5第2章 恒温控制系统硬件设计62.1 AT89S52单片机简介62.1.1 AT89S52单片机资源简介62.1.2 AT89S52
10、单片机信号引脚介绍72.1.3 AT89S52单片机的时钟电路和复位电路82.2 温度传感器92.3 电源电路10 2.3.1 电源变压器10 2.3.2 整流滤波电路102.3.3 稳压电路102.4 键盘和显示电路122.5 加温控制电路132.6 与上位机通讯14第3章 恒温控制系统软件设计143.1 PID调节器控制原理143.2 位置式PID算法153.3 数字PID参数整定153.3.1 采样周期的选择163.3.2 PID参数对系统性能的影响173.4 PID计算程序18第4章 MATLAB仿真294.1 SIMULINK简介294.2 系统仿真方框图304.3 稳定边界法整定P
11、ID参数30结论35参考文献36致37附录38 . . . 第1章 绪论1.1 引言电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温，因而很难用数字方法建立精确的模型，并确定参数。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，本设计采用PID控制。目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准，同时控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个
12、阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等；而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不一样。比如压力控制系统要采用压力传感器，而温度控制系统要采用温度传感器。目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID调节器参数是自动调节是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现，有
13、利用PID调节控制实现压力、温度、流量、液位的控制。能实现PID控制功能的有PLC和一些PC机。传统的PID控制电路结构复杂，需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的调控。针对它具有器件多、生产成本高、电路调试复杂的缺点，本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算，能充分发挥软件系统的灵活性，在必要时针对PID算法进行修正，使其更加完善，固态继电器的功率调节电路，极简化了执行电路，与单片机的接口也变得十分的方便，同时只需要更换不同输出功率的固态继电器，就可满足不同功率加热系统的需要由于设计的系统对温度动、静态指标要求要求不高，且允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长
14、时，最流行控制方法还是继电接触器控制系统。因此本设计采用若继电接触器控制系统。整个设计系统电路简单、调试方便、实际应用可达到理想的精度。随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断地增强，许多高性能的新型机种不断的涌现出来，单片机以其集成度高、功能强、体积小可靠性高、价格低和开发周期短等特点，成为自动化和各个测控领域中应用广泛的器件，在工业生产中，称为必不可少的器件，尤其是在当要求控制精度高，而成本低的社会里，往往都是采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在温度控制系统中，单片机最是起到了不可替代的核心作用。而PID控制技术在现在最为成熟，控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的
15、数学模型就可以调节，所以在恒温控制系统常采用PID算法。PID是比例（proportional）、积分（intergal）和微分(derivative)三者的缩写。PID调节器的三个基本参数kp(比例系数)、ki（积分系数）、kd(微分系数)是选择非常重要，它将直接影响一个控制系统的准确性。而三个环节在实际控制中的作用：1、比例调节作用：比例反映系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用，用于减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定；2、积分调节作用：是使系统消除静态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节就停止。积分调节输出为一常值，积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti. Ti越小，积分时间就越强；反之Ti越大，积分时间就越弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢
