控制系統(tǒng)綜合設(shè)計基于51單片機的pid溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 集美大學誠毅學院 控制系統(tǒng)綜合設(shè)計專業(yè)班級   姓  名    學 號 姓  名    學 號 指導教師  日  期   一、 引言進入21世紀后，自動控制正朝著高精度、多功能、標準化、高可靠性及安全性發(fā)展。溫度控制也正朝著開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。溫度已成為工業(yè)對象控制中一種重要的參數(shù)，在科學研究和生產(chǎn)實踐的諸多領(lǐng)域中,溫度控制占有著極為重要的地位, 溫度控制技術(shù)是一種比較重要的

2、工業(yè)技術(shù)，不僅在化工，航天，航空，醫(yī)療等高科技領(lǐng)域，在食品、機械、冶金、化工、建材、石油等工業(yè)領(lǐng)域,占據(jù)著具有舉足輕重的作用。在我們?nèi)粘５纳钪?，我們也是?jīng)常應(yīng)用到的。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：直接數(shù)字控制（DDC），推斷控制，預測控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(Expert Control)，魯棒控制（Robust Contr

3、ol），推理控制等，PID控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等1。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益，可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)。仿真系統(tǒng)將應(yīng)用于人類生產(chǎn)實踐的全過程，這樣可以避免決策失誤，可以預測可能發(fā)生的問題，達到避免故障、安全控制的目的。有關(guān)專家預言，在2l世紀，仿真技術(shù)的發(fā)展必將對經(jīng)濟、社會以及人們的觀念產(chǎn)生巨大影響。MATLAB具有以下幾個特點： 1.功能強大的數(shù)值運算功能 2.強大的圖形處理能力 3.高級但簡單的程序環(huán)境 4.是一種豐富的工具箱。單片微型計算機的功能

4、不斷的增強，為先進的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機種應(yīng)運而生。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。像用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應(yīng)用，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設(shè)備對溫度的控制要求越來越高。在溫度控制技術(shù)在溫度控制當中，PID控制技術(shù)應(yīng)用相對來說比較廣泛，PID控制器算法簡單，計算量小，恒溫效果穩(wěn)定。本文則以單片機（C 51）為核心、PID算法為控制方式、MATLAB仿真、串口通訊

5、而設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)。二、 本控制系統(tǒng)的綜述此次課程設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)，以單片機AT89C51為控制核心。主要內(nèi)容是通過Pt100溫度傳感器，將水壺的溫度值轉(zhuǎn)化成電阻值。再通過自設(shè)計的溫度變送器進行放大輸出電壓量，由AD模塊（ADC0809芯片）將電壓信號采集進單片機。與我們系統(tǒng)的給定值rk進行比較得到誤差量ek，采用PID控制算法得到控制量。將控制量經(jīng)DA模塊（DAC0832芯片）產(chǎn)生電壓信號驅(qū)動功率模塊實現(xiàn)對水壺的溫度控制。此次課程設(shè)計采用的控制算法采用的是Bang-Bang PID算法，當溫度低于設(shè)定范圍以下，可以使溫度較低時能夠快速的升溫。水壺的溫度控制也可采用模糊控制算法等智能控制算

6、法，并且溫度系統(tǒng)存在較大的滯后，也可以增加Smith預估算法。 本次課程設(shè)計的目的在于，在對水壺溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中，了解溫度控制系統(tǒng)基本的控制方案。將理論應(yīng)用與實際，對過程控制技術(shù)、自動控制技術(shù)的應(yīng)用得到一定的提升。三、 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1、溫度變送器模塊Pt100的電阻受溫度的變化而變化，其計算公式：Rt=R0(1+aT)=100(1+0.00392T)，其中T為溫度，Rt的單位為歐姆，Rt與溫度呈有一個零點的線性關(guān)系。在變送器模塊設(shè)計中為了將溫度的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，需設(shè)計一個恒流電路，使電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化。根據(jù)公式：Vt=Rt×Is=100×Is+

7、0.392T×Is，故需要設(shè)計一個恒壓抬高電路，抵消100×Is，使溫度與電壓呈線性關(guān)系。最后，由于Pt100的電路產(chǎn)生的電壓變化比較小，所以還需要設(shè)計放大電路。 圖2 溫度變送器原理圖由圖2可知：（1） 系統(tǒng)前級電路由三極管、二極管和穩(wěn)壓管組成的電路產(chǎn)生恒定的電流Is，使Vi隨溫度的變化而變化；（2） Vi為鉑電阻的轉(zhuǎn)換電壓，U1和U2組成二級放大器，Vi1為一級放大電壓，V11抬高電壓，Vo為最終輸出電壓(010V),Vo1輸出05V；（3） U3是射極跟隨器，產(chǎn)生穩(wěn)定的抬高電壓V11。圖3溫度變送器實物圖溫度變送器設(shè)計完成后，對各電位器進行調(diào)節(jié)，使得傳感器輸入為010

8、0，輸出為05V。對水壺的水溫進行測量，將得到的溫度及對應(yīng)的電壓值用Excel進行繪圖并擬合。溫度（）122030405060708090100電壓（V）1.091.742.232.833.423.834.264.755.145.38 表1 溫度與采集電壓數(shù)據(jù)表圖4 溫度與采集電壓曲線圖擬合公式為：y=0.0488x+0.7746 (1)其中y表示水溫，x表示輸出電壓。經(jīng)過調(diào)試后，基本上能夠滿足線性要求。4.2、功率可調(diào)模塊功率可調(diào)模塊選用EUV-10A-，該模塊采用單片機設(shè)計，可實現(xiàn)軟啟動、軟停車功能，廣泛應(yīng)用于交直流電機調(diào)速，單相220VAC、380VAC變壓器初級原邊調(diào)壓、電磁鐵振動、調(diào)

9、光、焊機、電鍍等功率調(diào)節(jié)場合。技術(shù)參數(shù)l 工作電壓 220VAC、380VACl 有效值電流 10Al 偏置電壓Vb 12VDCl 偏置電流 30mADC maxl 輸入控制信號 1-5VDC或4-20mA或10k電位器l 輸出電壓變化范圍 0-220VDC、0-380VACl 引出端與底板間、輸入與輸出電路間介質(zhì)耐壓 2500VAC min/50Hz功率調(diào)控模塊EUV-10A-的接線方式如下圖2所示。左圖為觸發(fā)電路的接線圖，右圖為交流電的輸入和輸出的連接圖。連接圖4-20mA調(diào)節(jié)時的接法圖5 功率模塊的接法4.3、被控對象本設(shè)計使用電熱水壺為被控對象，該對象具有大滯后、非線性、時變性等特點，

10、通過單閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)對水壺溫度的恒溫控制。若想使系統(tǒng)控制更加完善可加入Smith預估等控制算法，在此不作介紹。4.4、單片機實驗系統(tǒng)單片機系統(tǒng)采用STAR ES598PIC實驗箱以及星研集成開發(fā)軟件。包括A/D、D/A、串口通信等一系列模塊。圖6 系統(tǒng)連接實物圖四、 控制器設(shè)計5.1、PID控制器的設(shè)計PID控制器廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)控制。 其主要的優(yōu)點在于：原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強；魯棒性好；對模型依賴少。它是將給定值與實際輸入值進行偏差計算得到e(t),然后進行比例、積分、微分計算，通過線性組合構(gòu)成控制器，實現(xiàn)對被控對象的控制。對于增量型的PID控制規(guī)律為：Uk=kp*ek+ki*

11、ek+kd*(ek-ek-1) (2)Uk為PID控制的輸出信號5.2、PID控制器流程圖對PID的三個比例系數(shù)賦初始值，然后將采集的信號與給定值進行比較，得到偏差量，代入控制規(guī)律（2）式，求得控制信號。圖8 Bang-Bang PID算法流程圖算法流程詳解：ek、ek-1、ei初始值都為0，當A/D轉(zhuǎn)化的數(shù)值與給定的80的偏差大于10時，uk=255，控制電壓為5V,即最大電壓進行加熱。當溫度介于70和80之間時，進入Bang-Bang PID控制。由于算法計算出來的控制量可能大于D/A轉(zhuǎn)化的范圍，所以當uk>255時，令其輸出為255.；uk<0時，輸出為0。5.3、PID參數(shù)

12、整定本設(shè)計通過仿真圖的溫度控制效果進行PID各參數(shù)的調(diào)節(jié)，以使得控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量以及抗干擾能力達到比較良好的效果。還可以采用臨界比例度法、衰減曲線法等。五、 PID參數(shù)的整定將兩臺PC機進行通信，并進行MATLAB對控制曲線進行仿真。以下是對PID各參數(shù)進行調(diào)節(jié)得到的響應(yīng)曲線。只對放大系數(shù)KP進行調(diào)節(jié) Kp=10 Ki=0.1 Kd=0 Kp=20 Ki=0.1 Kd=0Kp=30 Ki=0.1 Kd=0如上圖所示，在只調(diào)節(jié)比例參數(shù)的情況下，系統(tǒng)均有不同程度的超調(diào)，隨著Kp的增加系統(tǒng)的上升時間逐漸縮短。隨著比例Kp的變大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也變差，穩(wěn)態(tài)誤差也隨之增大，總體控制精度不高。所以

13、只控制系統(tǒng)的Kp是不夠的，故進一步對積分Ki進行整定。只對積分系數(shù)Ki進行調(diào)節(jié) Kp=30 Ki=0.2 Kd=0 Kp=30 Ki=0.05 Kd=0如上圖所示，選取使系統(tǒng)超調(diào)較小較之穩(wěn)定的Kp，在比例Kp不變的情況下，積分可以消除或者減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但過大的積分作用使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，抗干擾能力下降并使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變慢了，所以積分Ki不是越大越好。只對積分系數(shù)Ki進行調(diào)節(jié)Kp=50 Ki=0.2 Kd=0如上圖所示，系統(tǒng)在干擾作用下能夠較為迅速進行自我調(diào)節(jié)并逐步恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，說明系統(tǒng)具有較強的自我調(diào)節(jié)能力和抗干擾能力。 系統(tǒng)PID參數(shù)總體分析：從上述圖形我們可以清楚的看到，

14、加入比例可以使得系統(tǒng)加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但是過大的比例使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。加入積分使得系統(tǒng)能夠較小甚至消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是過強的積分作用會使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。由于沒有微分調(diào)節(jié)所以不做微分對系統(tǒng)作用的概述。六、 結(jié)論與心得本次為期2周的課程設(shè)計，讓我們從中受益匪淺，通過它我們對控制系統(tǒng)及PID控制以及PID參數(shù)整定方法在工程應(yīng)用中的設(shè)計和分析有了進一步的認識把握。在本次課程設(shè)計當中，從下發(fā)任務(wù)書起，我們小組團結(jié)一致，分工合作。具體流程如下1.選用C51軟件平臺設(shè)計A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路。2. 制作并調(diào)試溫度變送器電路板。3. 設(shè)計PID控制器，對PID參數(shù)進行整定以及MATLAB實現(xiàn)

15、溫度電壓數(shù)據(jù)的采集和仿真。4.整理實驗數(shù)據(jù)，寫報告和總結(jié)。5.小組匯報和質(zhì)疑。期間，不乏遇到各種問題，比如，溫度變送器電路板上的元件，當用萬用測的參數(shù)與要求不符合，或者電路短路和斷路，這都需要我們細心的排查。然后在參數(shù)整定方面，根據(jù)自動控制原理，需要通過編程的方法，對比例，積分，微分進行反復的選擇，嘗試，和矯正，再加擾動觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性變化，最終選擇一個相對合理的PID控制參數(shù)，以完成預定的目標?？傊?，通過動手親自操作這個設(shè)計，提升了我們的能力，鞏固了對專業(yè)知識的掌握，對PID控制的用用和參數(shù)整定有了深刻的體會和相對全面的認識。當然還要感謝期間還有老師的其他小組的指點和幫助。參考文獻1 周正林

16、 . 基于單片機的電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計J . 信息技術(shù)，2005:115附錄1：系統(tǒng)設(shè)計元件清單12V開關(guān)電源 1個 電熱水杯1個功率模塊1個 Pt100一個電源插座1個 萬能板1塊小螺釘4套 烙鐵1把焊錫若干 電源線1根萬用表1個 小螺絲刀1把溫度計1個 黑色絕緣膠1卷串口線 1 根 剝線鉗 1把插座和插頭：三芯 1個（+12V、VCC、-12V）、兩芯2個（A/D和地、Pt100）二極管：CR1（LN4148） 1個、CR2（穩(wěn)壓管6.2V） 1個、CR3（穩(wěn)壓管9.2V） 1個 、三極管：1個運放：741 3個、芯片插座芯（運放）3個電阻：R1(47K) 、R2（2K）、R3(電位器 1K)、R4(10K)、R5（10K）、R6(100K)、R7(10K)、R8(100K)、R9（10K）、R10(100K)、R11(100K)、R12(2.2K)、R13(電位器1K)、R14(3.32K)、R15（10K