控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 集美大學(xué)誠毅學(xué)院 控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 姓 名 學(xué)號(hào) 姓 名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 日 期 一、 引言進(jìn)入21世紀(jì)后，自動(dòng)控制正朝著高精度、多功能、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)象控制中一種重要的參數(shù)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)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(jī)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，

2、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(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)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(jìn)的溫度控制方式，如：直接數(shù)字控制（ddc），推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制（fuzzy），專家控制(expert control)，魯棒控制（robust control），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

3、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(shí)踐的全過程，這樣可以避免決策失誤，可以預(yù)測可能發(fā)生的問題，達(dá)到避免故障、安全控制的目的。有關(guān)專家預(yù)言，在2l世紀(jì)，仿真技術(shù)的發(fā)展必將對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及人們的觀念產(chǎn)生巨大影響。matlab具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1.功能強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能 2.強(qiáng)大的圖形處理能力 3.高級(jí)但簡單的程序環(huán)境 4.是一種豐富的工具箱。單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)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

4、為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)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(duì)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(dāng)中，pid控制技術(shù)應(yīng)用相對(duì)來說比較廣泛，pid控制器算法簡單，計(jì)算量小，恒溫效果穩(wěn)定。本文則以單片機(jī)（c 51）為核心、pid算法為控制方式、matlab仿真、串口通訊而設(shè)計(jì)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(jì)的溫度控制系統(tǒng)，以單片機(jī)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(jì)的溫度變送

5、器進(jìn)行放大輸出電壓量，由ad模塊（adc0809芯片）將電壓信號(hào)采集進(jìn)單片機(jī)。與我們系統(tǒng)的給定值rk進(jìn)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(hào)驅(qū)動(dòng)功率模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水壺的溫度控制。此次課程設(shè)計(jì)采用的控制算法采用的是bang-bang pid算法，當(dāng)溫度低于設(shè)定范圍以下，可以使溫度較低時(shí)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法，并且溫度系統(tǒng)存在較大的滯后，也可以增加smith預(yù)估算法。 本次課程設(shè)計(jì)的目的在于，在對(duì)水壺溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)際，對(duì)過程控制技術(shù)、自動(dòng)控制

6、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(jì)4.1、溫度變送器模塊pt100的電阻受溫度的變化而變化，其計(jì)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(gè)零點(diǎn)的線性關(guān)系。在變送器模塊設(shè)計(jì)中為了將溫度的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，需設(shè)計(jì)一個(gè)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=rtis=100is+0.392tis，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓抬高電路，抵消100is，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(jì)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(jí)電路由

7、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(jí)放大器，vi1為一級(jí)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(shí)物圖溫度變送器設(shè)計(jì)完成后，對(duì)各電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得傳感器輸入為0100，輸出為05v。對(duì)水壺的水溫進(jìn)行測量，將得到的溫度及對(duì)應(yīng)的電壓值用excel進(jìn)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

8、 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(jī)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車功能，廣泛應(yīng)用于交直流電機(jī)調(diào)速，單相220vac、380vac變壓器初級(jí)原邊調(diào)壓、電磁鐵振動(dòng)、調(diào)光、焊機(jī)、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(hào) 1-5vdc或4-20ma或10k電位器l 輸出電壓變化范圍

9、 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(shí)的接法圖5 功率模塊的接法4.3、被控對(duì)象本設(shè)計(jì)使用電熱水壺為被控對(duì)象，該對(duì)象具有大滯后、非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，通過單閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yù)估等控制算法，在此不作介紹。4.4、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)采用star es598pic實(shí)驗(yàn)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

10、模塊。圖6 系統(tǒng)連接實(shí)物圖四、 控制器設(shè)計(jì)5.1、pid控制器的設(shè)計(jì)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(diǎn)在于：原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強(qiáng)；魯棒性好；對(duì)模型依賴少。它是將給定值與實(shí)際輸入值進(jìn)行偏差計(jì)算得到e(t),然后進(jìn)行比例、積分、微分計(jì)算，通過線性組合構(gòu)成控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。對(duì)于增量型的pid控制規(guī)律為：uk=kp*ek+ki*ek+kd*(ek-ek-1) (2)uk為pid控制的輸出信號(hào)5.2、pid控制器流程圖對(duì)pid的三個(gè)比例系數(shù)賦初始值，然后將采集的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，得到偏差量，代入控制規(guī)律（2）式，求得控制信號(hào)。圖8 bang-bang pid算法

11、流程圖算法流程詳解：ek、ek-1、ei初始值都為0，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)化的數(shù)值與給定的80的偏差大于10時(shí)，uk=255，控制電壓為5v,即最大電壓進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度介于70和80之間時(shí)，進(jìn)入bang-bang pid控制。由于算法計(jì)算出來的控制量可能大于d/a轉(zhuǎn)化的范圍，所以當(dāng)uk255時(shí)，令其輸出為255.；uk0時(shí)，輸出為0。5.3、pid參數(shù)整定本設(shè)計(jì)通過仿真圖的溫度控制效果進(jìn)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(shí)間、超調(diào)量以及抗干擾能力達(dá)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(tái)pc機(jī)進(jìn)行通信，并進(jìn)行matlab對(duì)控制曲線進(jìn)行仿真。以下是對(duì)pi

12、d各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)得到的響應(yīng)曲線。只對(duì)放大系數(shù)kp進(jìn)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(shí)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。所以只控制系統(tǒng)的kp是不夠的，故進(jìn)一步對(duì)積分ki進(jìn)行整定。只對(duì)積分系數(shù)ki進(jìn)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

13、。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(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢了，所以積分ki不是越大越好。只對(duì)積分系數(shù)ki進(jìn)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(jìn)行自我調(diào)節(jié)并逐步恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)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，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(qiáng)的積分作用會(huì)使得系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。由于沒有微分調(diào)節(jié)所以不做微分對(duì)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(jì)，

14、讓我們從中受益匪淺，通過它我們對(duì)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(jì)和分析有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)把握。在本次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，從下發(fā)任務(wù)書起，我們小組團(tuán)結(jié)一致，分工合作。具體流程如下1.選用c51軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)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(jì)pid控制器，對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行整定以及matlab實(shí)現(xiàn)溫度電壓數(shù)據(jù)的采集和仿真。4.整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫報(bào)告和總結(jié)。5.小組匯報(bào)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(dāng)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(xì)心的排查。然后在參數(shù)整定方面，根據(jù)自動(dòng)控制原理，需要通過編

15、程的方法，對(duì)比例，積分，微分進(jìn)行反復(fù)的選擇，嘗試，和矯正，再加擾動(dòng)觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性變化，最終選擇一個(gè)相對(duì)合理的pid控制參數(shù)，以完成預(yù)定的目標(biāo)。總之，通過動(dòng)手親自操作這個(gè)設(shè)計(jì)，提升了我們的能力，鞏固了對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握，對(duì)pid控制的用用和參數(shù)整定有了深刻的體會(huì)和相對(duì)全面的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然還要感謝期間還有老師的其他小組的指點(diǎn)和幫助。參考文獻(xiàn)1 周正林 . 基于單片機(jī)的電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)j . 信息技術(shù)，2005:115附錄1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)元件清單12v開關(guān)電源 1個(gè) 電熱水杯1個(gè)功率模塊1個(gè) pt100一個(gè)電源插座1個(gè) 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(gè) 小螺絲刀1把溫度計(jì)1個(gè) 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(gè)（+12v、vcc、-12v）、兩芯2個(gè)（a/d和地、pt100）二極管：cr1（ln4148） 1個(gè)、cr2（穩(wěn)壓管6.2v） 1個(gè)、cr3（穩(wěn)壓管9.2v） 1個(gè) 、三極管：1個(gè)運(yùn)放：741 3個(gè)、芯片插座芯（運(yùn)放）3個(gè)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.