基于_PID算法的溫度控制系統(tǒng)響設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(共9頁)

1、 基于 PID算法(sun f)的溫度控制系統(tǒng)響設(shè)計 摘 要 設(shè)計了一種溫度控制系統(tǒng)。以 AT89S52單片機為核心，包括(boku)電源 電路 ，溫度信號采樣電路 ，鍵盤及顯示(xinsh)電路 ，加溫控制電路 等模塊。軟件 采用 PID算法進行 了建模和編程，在 SIMULINK環(huán)境 中進行了仿真，系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時間為 30s，無超調(diào)量，滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞】溫度控制 單片機 PID算法 電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時變性的特點，應(yīng)用傳統(tǒng) 的模擬電路控制方法，很難 達到理想的控制效果。采用模 糊 PID算法，運用 AT89S52單片機對電阻爐溫度實現(xiàn)智能控制，可

2、以解 決上述種種不足，實現(xiàn)高精度的控制1.系統(tǒng)設(shè)計度值 PID調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)的框圖如圖 1所示。由按鍵模塊設(shè)定溫度值進行查表計算后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過 l6位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應(yīng)的電壓信號，并顯示在顯示模塊上。此電壓值于度傳感器測量的電壓值進行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過 PID電路后，獲得一個控制量給加熱電路構(gòu) 成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量電壓值，并顯示在顯示模塊上。輸出控制 DA轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換成電壓信號來控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過調(diào)節(jié)加熱功率 即可達到 控制溫度恒定的目的。2主要模塊(m kui)硬件電路設(shè)計 21溫度(wnd)測量電路 溫度測量轉(zhuǎn)換部

3、分是整個(zhngg)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接 影響系統(tǒng)的可靠 性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感 器例如 AD590，將 測量的溫度轉(zhuǎn) 換成模擬電信號，再經(jīng)過 MD轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片 機再對采集的數(shù)字信號進行處理，實現(xiàn)起 來比較復(fù)雜，濾波消噪難度大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，設(shè)計采用數(shù)字式溫度傳感 器 DS18B20。DS18B20為單總線接口,測量溫度的范圍為一55oC+125oC。溫度采集電路如圖 2所示 DQ為數(shù)字信號輸入，輸出端 ；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。 DS18B20的 OQ引腳接 AT89S52的 P14口線，用于將采集(cij)到的溫度送人單片機中處理

4、，2腳和3腳之間接一個 4.7K上拉電阻。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成(z chn)：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。以 12位轉(zhuǎn)化為例，用 16位符號 擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 00625CLSB形式表達，其中 s為符號位。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表 1。12位轉(zhuǎn)化后得 到的 12位數(shù)據(jù),存儲在l8B20的兩個 8BYTE的 RAM 中，二進制中的前面(qin mian) 5位是符號位，如果 測得的溫度大于 0，這 5位為0，將測到 的數(shù)值乘于00625即可 得到實 際溫度；如果溫度小于0，這5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于00625

5、即可得到實際溫度。2-2加熱控制電路 控制電路如圖 3。用于在閉環(huán)控制系統(tǒng) 中對被控對象實施控制，被控對象為電爐絲，采用對加在電爐絲兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)加熱功率的調(diào)整，從而達到對恒 溫溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用SSR一40DA固態(tài)繼電器，使用非常簡單，只要在控制端 1TrL電平，即可實現(xiàn)對繼 電器的開關(guān)，使用時接 NPN型三極管構(gòu)成射極輸出器電路，以提高驅(qū)動電流。三極管的基極連接單片通過 l6位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對應(yīng)(duyng)的電壓信號，此電壓值于溫機的 P13，當單 片機的Pl_3為高點平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作度傳感器測量(cling)

6、的電壓值進行比較產(chǎn)生一個誤差信號，經(jīng)過 PID電路后， 接通加熱器工作(gngzu)，當單片機的Pl3為低電平時固態(tài)繼電器關(guān)斷 ，加熱獲得一個控制量給加熱電路，構(gòu)成實時閉環(huán)系統(tǒng)，同時實際測量電壓值 器不工作。3.系統(tǒng)(xtng)程序設(shè)計 3.1 PID調(diào)節(jié)器控制(kngzh)原理 系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成(z chn)。PID控制就是對偏差信號進 行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規(guī)律 即控制器的輸出為：或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：Kp為比例系數(shù),為積分時間常數(shù)，T為微分時間常數(shù)。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容 ，根據(jù)被控過 程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和

7、微分時間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，設(shè)計采用 PID歸一整定法把對控制臺三個參數(shù)(K、T、T )轉(zhuǎn)換為一個參數(shù)，使 問題明顯簡化。以達到控制器的特性與被控過程的特性相匹配，滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標。3.2 PID計算(j sun)程序 計算機只能處理(chl)數(shù)字信號，若采樣周期為T第n次采樣(ci yn)的輸入誤差為en，且 en =r（n)=c(n)，輸出為 u(n)，PID算法用的微分de/dt由差分（en-en-1）/T代替，積分 e(t)dt由ekT 代替，于是得到：PID計算u 只需要保留現(xiàn)時刻e以及以前的兩個偏差量e和 e。初始化程序初值 =e|_()通過

8、采樣并根據(jù)參數(shù) K 、KI】、Kf以及 e e 和 e 計算 u。根據(jù)輸出控制增量u可求出本次控制輸出為 ：由于電阻爐一般是屬于一階對象和滯后的一階對象，式中 KP、K。、 KJ的選擇取決于電熱絲的階躍響應(yīng)曲線和實際經(jīng)驗，設(shè)計采用 ZieglerNichols提出的PID歸一調(diào)整法，調(diào)整參數(shù)，主要是減少在線整 定參數(shù)的數(shù)目，人為假定約束條件，以減少獨立變量的個數(shù)，令：T=01T Tl=05T ，TI)=0125Tu，式中 Ti_稱為臨界周期。PID計算的程序流程圖如圖 4所示。4系統(tǒng)測試(csh)和結(jié)語 為了驗證(ynzhng)系統(tǒng)的準確性，在 MATLAB的 SIMULINK軟件包中進行 系

9、統(tǒng)的仿真。閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以用一個階滯后環(huán)節(jié)來近似，方框 圖如圖 5所示?？梢缘玫较到y(tǒng) PID調(diào)節(jié)的參數(shù) ，當 Kp=003，Ki=0029，Kd=0008時，系統(tǒng)無超調(diào)量，準確性高且調(diào)節(jié)時間為30s具有快速性 。 設(shè)計(shj)的恒溫控制系統(tǒng)不僅能滿足各項設(shè)計指標，并且具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，準確性高，可行性強等優(yōu)點。參考文獻1徐薇莉 ，曹柱中控制理論(lln)與設(shè)計 M上海交大出版社 ，2003 74-822盧超基于 AT89C51多路信號(xnho)檢測和語音報警器的設(shè)計I 佳木斯大學(xué)學(xué)報，2009，02：1811843先鋒工作室單片機程序設(shè)計實例M清華大學(xué)出版社 ，2003 14-304王幸之，鐘愛琴等AT89系列單片機原理及接口技術(shù)M北京： 北京航天大學(xué)出版社，200439545盧超單片機同PC機通信的一種新方法I礦山機械，2007，04：105-1076盧超分布式礦井溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 J煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，12：51-547李華MCS一5l系列單片機實用接口技術(shù)M北京航空航天大 學(xué)出版社，20018盧超單片機與 PC機的通信設(shè)計(shj)I工礦自動化 ，2007，05：1161189盧超 負反饋放大電路的仿真分析 1現(xiàn)代(xindi)電子技術(shù)，2006，16：11511710盧超PVDF型脈搏傳感器信號處理電路的設(shè)計