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1、 基于基于 PIDPID 算法的温度控制系统响设计算法的温度控制系统响设计 摘摘 要要 设计了一种温度控制系统。以 AT89S52 单片机为核心，包括电源 电路 ，温度信号采样电路 ，键盘及显示电路 ，加温控制电路 等模块。软件 采用 PID 算法进行 了建模和编程，在 SIMULINK 环境 中进行了仿真，系统无稳态误差，调节时间为 30s，无超调量，满足设计要求。 关键词关键词】温度控制 单片机 PID 算法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，应用传统 的模拟电路控制方法，很难 达到理想的控制效果。采用模 糊 PID 算法，运用 AT89S52 单片机对电阻炉温度
2、实现智能控制，可以解 决上述种种不足，实现高精度的控制1.1.系统设计度值系统设计度值PID 调节的温度控制系统的框图如图 1 所示。由按键模块设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过 l6 位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，并显示在显示模块上。此电压值于度传感器测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过 PID 电路后，获得一个控制量给加热电路构 成实时闭环系统，同时实际测量电压值，并显示在显示模块上。输出控制 DA 转换 电路转换成电压信号来控制可控硅触发电路，从而控制可控硅通断率，通过调节加热功率 即可达到 控制温度恒定的目的。2 2主要模块硬件电路设计主要模块硬件电
3、路设计 21 温度测量电路温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接 影响系统的可靠 性。传统的温度测量方法是：温度传感 器例如 AD590，将 测量的温度转 换成模拟电信号，再经过 MD 转换器把模拟信号转换成数字信号，单片 机再对采集的数字信号进行处理，实现起 来比较复杂，滤波消噪难度大，系统稳定性不高，设计采用数字式温度传感 器 DS18B20。DS18B20 为单总线接口,测量温度的范围为一55oC+125oC。温度采集电路如图 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。DS18B20 的 OQ 引脚接 AT89S52 的 P14 口线，
4、用于将采集到的温度送人单片机中处理，2 脚和 3 脚之间接一个 4.7K 上拉电阻。DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 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。以 12 位转化为例，用 16 位符号 扩展的二进制补码读数形式提供，以 00625CLSB 形式表达，其中 s 为符号位。数据转换如下表 1。12 位转化后得 到的 12 位数据,存储在 l8B20 的两个 8BYTE 的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果 测得的温度大于 0，这 5 位为 0，将测到 的数值乘于 00625 即可 得到实 际温度；如果温度小于 0，这
5、 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于00625 即可得到实际温度。2-2 加热控制电路 控制电路如图 3。用于在闭环控制系统 中对被控对象实施控制，被控对象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对控制系统加热功率的调整，从而达到对恒 温温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用 SSR 一40DA 固态继电器，使用非常简单，只要在控制端 1TrL 电平，即可实现对继 电器的开关，使用时接 NPN 型三极管构成射极输出器电路，以提高驱动电流。三极管的基极连接单片通过 l6 位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于温机的 P13，当单 片机的 Pl_3
6、 为高点平时，三极管驱动固态继电器工作度传感器测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过 PID 电路后， 接通加热器工作，当单片机的 Pl3 为低电平时固态继电器关断 ，加热获得一个控制量给加热电路，构成实时闭环系统，同时实际测量电压值 器不工作。3.3.系统程序设计系统程序设计 3.1 PID 调节器控制原理系统由 PID 控制器和被控对象组成。PID 控制就是对偏差信号进 行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律 即控制器的输出为：或写成传递函数的形式：Kp 为比例系数,为积分时间常数，T 为微分时间常数。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 ，根据被控过 程的特性确定 P
7、ID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，设计采用 PID 归一整定法把对控制台三个参数(K、T、T )转换为一个参数，使 问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配，满足某种反映控制系统质量的性能指标。3.2 PID 计算程序计算机只能处理数字信号，若采样周期为 T 第n 次采样的输 入误差为 en，且 en =r（n)=c(n)，输出为 u(n)，PID 算法用的 微分 de/dt 由差分（en-en-1）/T 代替，积分 e(t)dt 由ekT 代替， 于是得到：PID 计算u 只需要保留现时刻 e 以及以前的两个偏差量 e 和 e
8、。初始化程序初值 =e|_()通过采样并根据参数 K 、KI】、Kf 以及 e e 和 e 计算 u。根据输出控制增量u 可求出本次控制输出为 ：由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象，式中 KP、K。、 KJ 的选择取决于电热丝的阶跃响应曲线和实际经验，设计采用 ZieglerNichols 提出的 PID 归一调整法，调整参数，主要是减少在线整 定参数的数目，人为假定约束条件，以减少独立变量的个数，令：T=01T Tl=05T ，TI)=0125Tu，式中 Ti_称为临界周期。PID 计算的程序流程图如图 4 所示。4系统测试和结语为了验证系统的准确性，在 MATLAB 的 SIMU
9、LINK 软件包中进行 系统的仿真。闭环调节系统可以用一个阶滞后环节来近似，方框 图如图 5 所示。可以得到系统 PID 调节的参数 ，当 Kp=003，Ki=0029，Kd=0008 时，系统无超调量，准确性高且调节时间为 30s 具有快速性 。设计的恒温控制系统不仅能满足各项设计指标，并且具有体积小，结构简单，价格便宜，准确性高，可行性强等优点。参考文献参考文献1徐薇莉 ，曹柱中控制理论与设计 M上海交大出版社 ，2003 74-822卢超基于 AT89C51 多路信号检测和语音报警器的设计I 佳木斯大学学报，2009，02：1811843先锋工作室单片机程序设计实例M清华大学出版社 ，2
10、003 14-304王幸之，钟爱琴等AT89 系列单片机原理及接口技术M北京： 北京航天大学出版社，545卢超单片机同 PC 机通信的一种新方法I矿山机械， 2007，04：105-1076卢超分布式矿井温度监测系统的设计 J煤炭科学技术， 2007，12：51-547李华MCS 一 5l 系列单片机实用接口技术M北京航空航天大 学出版社，20018卢超单片机与 PC 机的通信设计I工矿自动化 ，2007，05：1161189卢超 负反馈放大电路的仿真分析 1现代电子技术， 2006，16：11511710卢超PVDF 型脉搏传感器信号处理电路的设计 齐齐哈尔 大学学报 (自然科学版)，2009，06：610
