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1、温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。计算机测控技术的出现，使得传统的电子测量在原理、功能、精度和自动化程度上有了极大地提高。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本文以电阻炉炉温控制为研究对象设计了以单片机为核心的硬件电路和软件程序。硬件电路选用8951单片机，软件程序采用中断嵌套方式。提出了灰色PID控制算，即以灰色系统理论为基础，对系统不确定部分建立灰色模型，进行灰色
2、预估补偿，使控制系统的灰量得到一定程度的白化，进而提高PID控制质量及其鲁棒性。关键词：灰色PID调节，温度控制，单片机，电阻炉1 绪 论1.1 概述近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。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，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电
3、等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。 随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产
4、品的成本，提高了生产效率。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、灰色PID算法为控制方式而设计的电加热炉温度控制系统。整个系统有四部分组成：8951单片机系统；温度检测；输出控制通道及报警
5、显示系统。工作时，温度由热电偶和电压电流变换器转换成电流信号，经运放放大至05V的电压信号，由A/D转换器转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度偏差，通过灰色PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间，以达到温度控制的目的。系统的给定值、PID参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度显示在LED上。1.2 国内外的现状随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多的要求，因此热处理技术也想着优质、高效的方向发展。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后
6、、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术。第一，控温精度高。其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有适合的手段进行调整以达到要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。而采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。改革开放以来，我国工业有了较大的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，我国的大部分电阻炉控制系统比国外发达国家落后，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的参数需要人工选
7、择，要配置专门的仪表调试人员，费事，费力且不准确。控制精度不高，操作不方便，数据无法保存。针对于此本文提出了灰色PID调节的方法。1.3 系统设计本系统采用的温度测量元件是DS18B20，它是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围55125，可编程为912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，
8、其工作电源既可在远端引入，业可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个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。从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。综上，在本系统中我采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。 PID控制是最早发展起来的控制策略之一，是迄今为止最通用的控制方法。目前大多数工业控制回路仍然应用着PID控
9、制器或改进型PID控制器。它结构灵活，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以根据系统要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离控制，模糊PID控制，灰色PID控制等等。PID控制器把设定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对于对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，可以用数字PID代替模拟调节器。 在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，由传感器变换成系统的标准信号输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给
10、量，以达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例，积分，微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常变化，运用现代控制理论分析综合要花费很大代价进行模型辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难。所以通常采用PID调节器，虽然常规PID调节器具有较强的鲁棒性，技术成熟，控制结构简单。但它的控制理论和方法，大多是根据系统已发生的行为特征进行控制的，属“事后控制”。已发生行为，一般来说由于系统的惯性，会在较短的时间内持续下去，所以这些控制在多数情况下是可用的、有实
11、际效果的，但是很难做到完全真正的实时性、准确性和适应性，因而难以使控制系统质量得到进一步地提高。所以本文采用了由二十世纪八十年代由我国学者邓聚龙教授提出的灰色预测控制理论，则是从已发生的行为特征量中，寻找系统发展规律，按其预测系统未来的行为，并根据未来的行为趋势，确定相应的控制决策。所以，这种控制是着眼于系统未来行为的预控制、是超前控制，它具有较强的自适应性、通用性、实时性和准确性，且结构简单，技术明了，是一种具有广阔前景的新型控制。本文以电阻炉炉温控制系统为研究对象，采用灰色PID调节器对电阻炉炉温系统进行控制，通过调节比例系数来调节控制，以达到满意的控制效果。 2系统的整体设计方案2.1
12、系统工作原理温度传感器 DS18B20 从设备环境的不同位置采集温度，单片机 AT89S51 获取采集的温度值，经处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度值，再根据当前设定的温度上下限值，通过加热和降温对当前温度进行调整。当采集的温度经处理后超过设定温度的上限时，单片机通过三极管驱动继电器开启降温设备 (压缩制冷器) ，当采集的温度经处理后低于设定温度的下时 , 单片机通过三极管驱动继电器开启升温设备 (加热器) 。 当由于环境温度变化太剧烈或由于加热或降温设备出现故障，或者温度传感头出现故障导致在一段时间内不能将环境温度调整到规定的温度限内的时候，单片机通过三极管驱动扬声器发出警笛声。 系统中
13、将通过串口通讯连接PC机存储温度变化时的历史数据，以便观察整个温度的控制过程及监控温度的变化全过程。图2-1工作原理图2.2 控制过程 整个系统由单片机定时对温度进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，再送到微机进行判断和运算，得到相应的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。本文采用8951单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作建输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率为1200b/s，
14、2400b/s，4800b/s和9600b/s等四种波特率，由用户通过键盘自行按需要选择。系统的测量值和所有设定参数均由LED数码管直接显示，读数清晰，直观。控制器结构如图2-2所示 图2-2控制器结构3硬件电路设计3.1 硬件电路设计原则 一个单片机应用系统的硬件电路包含有两部分内容；一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如RAM,ROM,I/O口。定时/计数器，中断系统等容量不能满足应用系统的要求时 ，必须在另外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备，如键盘，显示器等，要求设计合适的接口电路 系统扩展和配置设计应遵循的原则：（1） 尽可能选择典型
15、电路，并符合单片机的常规算法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础（2） 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以进行二次开发（3） 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件结构会产生相互影响。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来的长，而且占用CPU时间。因此，选择软件方案时，要考虑这些时间因素。（4） 整个系统中相关元件要尽可能做到性能匹配。（5） 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片，器件选择，去耦滤波，印刷电路板布线，通道隔离等。（6） 单片机外接较多，必须考虑其驱动能力。驱动不足，系统工作不可靠，解决办法是增强驱动能力，增设驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。3.2 单片机的选择 AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT
