畢業(yè)論文-基于PID的液體溫度控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要I基于PID的液體溫度控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文從硬件到軟件兩方面具體的介紹了單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的，簡(jiǎn)單明了的說(shuō)明了如何利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的方法，并且對(duì)硬件電路原理和軟件程序的框架進(jìn)行了敘述。還說(shuō)明了在設(shè)計(jì)控溫過(guò)系統(tǒng)中的一些主要技術(shù)環(huán)節(jié)。溫度控制系統(tǒng)是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象，系統(tǒng)以89C52單片機(jī)作為核心，用液晶LCD1602作為顯示，以18b20作為溫度傳感器，用晶閘管進(jìn)行可控整流。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，溫度傳感器，溫度檢測(cè)，溫度控制，PID算法BasedontheliquidtemperatureofthePIDcontrollerdesignandimplementationAbstractThe

design

of

single-chip’s

temperature

control

system

is

introduced

from

hardware

and

software,

and

simply

explains

how

to

actualize

the

temperature

control.

The

hardware

principle

and

software

case

fig

are

described.

Some

important

techniques

in

a

design

scheme

of

the

hardware

and

the

software

of

the

temperature

control

by

single-chip

microcomputer

are

introduced.Keywords:Single—Chip

Microcomputer，Temperature

sensor，Temperature

collecting，Temperature

controlling，PID

algorithm.大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1PID的應(yīng)用和發(fā)展 11.2液體溫度控制系統(tǒng)研究的意義 11.3液體溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介和其控制對(duì)象 2第2章液體溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32.1物理器件 32.2物理結(jié)構(gòu) 32.3開(kāi)發(fā)環(huán)境 42.3.1硬件系統(tǒng)框圖 52.3.2原理圖設(shè)計(jì) 52.4軟件設(shè)計(jì) 6第3章PID控制算法研究 73.1算法簡(jiǎn)要介紹 73.2增量式PID算法 8第4章項(xiàng)目成果 114.1硬件成果物 114.1.1線路連接圖 114.1.2展示圖 114.2軟件成果物 124.3主要程序 124.4軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程 13第5章結(jié)論 15參考文獻(xiàn) 16致謝 17附錄 18大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-第1章緒論1.1PID的應(yīng)用和發(fā)展工業(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中，人們相對(duì)于之前，在工業(yè)自動(dòng)化控制的要求也越來(lái)越高，在控制精度、系統(tǒng)適應(yīng)力、響應(yīng)速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面的要求也是越來(lái)越高?？刂评碚摰陌l(fā)展也經(jīng)過(guò)了古典控制體系、現(xiàn)代控制體系和智能控制體系三階段。在工業(yè)控制發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，PID算法控制屬于歷史比較悠久、而且運(yùn)用最廣泛的控制原理。現(xiàn)在各種各樣的基于PID開(kāi)發(fā)的控制器或者儀表已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在實(shí)際生活中得到了更為廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在更是有很多優(yōu)秀的PID控制器產(chǎn)品問(wèn)世，各大公司均開(kāi)發(fā)出了具有PID參數(shù)自整定功能的調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著工業(yè)化的飛速發(fā)展，人們對(duì)于在生產(chǎn)過(guò)程中可產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率也要求的越來(lái)越低，而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。每一個(gè)先進(jìn)且實(shí)用的控制系統(tǒng)都對(duì)工廠生產(chǎn)活動(dòng)起到不可或缺的推動(dòng)作用。在這里，PID控制在工業(yè)生產(chǎn)控制中起到了比較重要的作用，一些PID控制器也成為工業(yè)控制中最常用的運(yùn)用在生產(chǎn)第一線的設(shè)備，PID適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，甚至可以根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同而給出不同的PID測(cè)量參數(shù)，以便于更好的結(jié)合實(shí)際，進(jìn)行測(cè)量演算。1.2液體溫度控制系統(tǒng)研究的意義PID的優(yōu)點(diǎn)很多：應(yīng)用原理簡(jiǎn)單易懂，算法使用比較方便；適應(yīng)性比起其他要強(qiáng)；對(duì)于PID控制穩(wěn)定來(lái)說(shuō)，對(duì)于它直接控制對(duì)象的變化不大敏感，所以適合用于環(huán)境相對(duì)惡劣的各種工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中；PID算法自有一套屬于自己的完整的參數(shù)與設(shè)計(jì)方法，便于被各方面技術(shù)人員使用；許多工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)控制的相對(duì)速度和控制精度要求并不是那么高，而更重視控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性時(shí)，使用運(yùn)用了PID算法的控制系統(tǒng)能獲得較高的性?xún)r(jià)比；在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)PID算法的某些缺陷可以稍加改良，使其更貼近需要其運(yùn)用的方向。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究與實(shí)際生產(chǎn)技能的運(yùn)用并不是同步的，通常情況下都是實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模運(yùn)用到的生產(chǎn)技術(shù)要比實(shí)驗(yàn)室研究的理想模型滯后不少，也就是說(shuō)許多先進(jìn)的學(xué)術(shù)研究成果根本運(yùn)用不到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，形成這樣狀況的根源在于實(shí)驗(yàn)室中的理論研究缺乏實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，由于這個(gè)原因研究出來(lái)的成果一旦投入到實(shí)際生產(chǎn)中就會(huì)遇到各種各樣的非理想化可追其原因的問(wèn)題。所以，在研究成果和實(shí)際生產(chǎn)不能協(xié)調(diào)的今天，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)適用且具有對(duì)象典型性特征的實(shí)驗(yàn)裝置將會(huì)是一條把研究成果和實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的最好方法。1.3液體溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介和其控制對(duì)象在一些特殊的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)液體溫度的控制有著特殊的要求，對(duì)溫度控制的精度和準(zhǔn)度更是有著高標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文在液體溫度控制系統(tǒng)中進(jìn)一步研究PID控制的精度和準(zhǔn)度。這次我們做的是可模擬生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行溫度控制的簡(jiǎn)易裝置，便于我們對(duì)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題得到更好的解決方法。系統(tǒng)由儲(chǔ)水容器、檢測(cè)組件和驅(qū)動(dòng)組成。我們采用的是比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)工具，方便大眾的使用，而得到的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，不排除各地區(qū)因素導(dǎo)致的誤差不同。第2章液體溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1物理器件溫度控制系統(tǒng)是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象，系統(tǒng)以89C52單片機(jī)作為核心，用液晶LCD1602作為顯示，以18b20作為溫度傳感器，用晶閘管進(jìn)行可控整流。我們的溫度系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)控制溫度控制的系統(tǒng)，所以選擇單片機(jī)為控制芯片。單片機(jī)具有高集成度、高可靠性、體積小的特點(diǎn)。它將各功能部件集成在一塊芯片上面，單片機(jī)的集成性很高，所以體積是同等芯片里面最小的。單片機(jī)為了滿足對(duì)控制對(duì)象的控制要求，所以他的指令系統(tǒng)具有分支的愿意能力強(qiáng)，對(duì)于IO口的邏輯操作及位處理能力的要求，一般較為適用于專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)。液晶LCD1602可以顯示16x02即為32個(gè)字符，對(duì)比度可調(diào)，體積小、微功耗、顯示內(nèi)容豐富，因?yàn)槲覀兊臏乜叵到y(tǒng)是袖珍式低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，所以選擇了LCD1602.再來(lái)說(shuō)DS18B20，它功能較為簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)端口即可完成通信，在實(shí)際的操作中，也可以不連接外部設(shè)置，直接進(jìn)行工作，比較方便，它的電壓在3.0V到5.5V之間，分辨率為9位~12位之間。它的溫度測(cè)量范圍為零下55℃~零上125℃之間，DS18B20具有直接讀出被測(cè)溫度值的功能。而且采用三端口與我們的單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。晶閘管具有壽命較長(zhǎng)，效率高，體積小，使用起來(lái)方便等等的優(yōu)點(diǎn)。它屬于大功率的管子，把半導(dǎo)體器件的應(yīng)用引入了強(qiáng)電領(lǐng)域，同時(shí)靈敏性、耐壓性、效率也不錯(cuò)。多用于整流、逆變和調(diào)壓等大功率電子電路中。我們?cè)谶@里用到晶閘管便是因?yàn)樗谡鞣矫娴耐怀龉δ?。以上元器件都有體積小，使用方便但功能毫不遜色的特點(diǎn)，我們做的是較為方便的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，綜上，選用了這幾個(gè)主要的元器件。2.2物理結(jié)構(gòu)液體溫度控制系統(tǒng)由水箱主體（試驗(yàn)時(shí)水箱需密閉，這樣誤差較小，大約在1℃左右）、檢測(cè)器件、溫度調(diào)節(jié)設(shè)備和單片機(jī)控制部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2.2展示。圖2.2系統(tǒng)物理模型USB接口連接電源上電給單片機(jī)，再將加熱設(shè)備的電路連接在繼電器上并將加熱裝置放入水箱中，將入水式18B20放入水箱中，用來(lái)檢測(cè)水溫。將熱水器接好電源，按下開(kāi)關(guān)便可以進(jìn)行工作。我們的原理就是用DS18B20檢測(cè)水溫，然后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)中程序會(huì)用運(yùn)增量式PID計(jì)算公式來(lái)實(shí)時(shí)地控制加熱設(shè)備的加熱，從而達(dá)到一個(gè)恒溫的目的。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)裝置每次進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于水的比熱容的因素，第一次試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)與實(shí)際相差較大，有3~4℃的溫度差，暫時(shí)不可避免，所以我們一般選取第二次之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。2.3開(kāi)發(fā)環(huán)境基于89C52單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Keil進(jìn)行編程，用PROTEL來(lái)繪制電路，主要開(kāi)發(fā)工作在PC上完成。單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件。KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它相比較同種軟件，是在我國(guó)運(yùn)用最早，普及率最高的一款軟件。Protel99SE共分5個(gè)模塊，分別是原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、原理圖混合信號(hào)仿真、自動(dòng)布線器、PLD設(shè)計(jì)。Protel99系統(tǒng)針對(duì)WindowsNT4/9X作了純32位代碼優(yōu)化，使得Protel99設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且高效。PCB自動(dòng)布線規(guī)則條件的復(fù)合選項(xiàng)極大的方便了布線規(guī)則的設(shè)計(jì)。繼承的PCB自動(dòng)布線系統(tǒng)最新的使用了人工智能技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，即使對(duì)于很復(fù)雜的電路板其布線結(jié)果也能達(dá)到專(zhuān)家級(jí)的水平。Protel99新增加了自動(dòng)布局規(guī)則設(shè)計(jì)功能，Placement標(biāo)簽頁(yè)是在Protel99中新增加的，用來(lái)設(shè)置自動(dòng)布局規(guī)則。綜上所述，我們的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)用這兩種軟件。2.3.1硬件系統(tǒng)框圖根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，我們將系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程繪制成以下圖2.3.1。圖2.3.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)按下開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)初始化，液晶屏開(kāi)始顯示，我們用主板上的按鍵來(lái)設(shè)置實(shí)驗(yàn)要求的溫度，設(shè)置好后，實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)始工作。當(dāng)18B20檢測(cè)到的水溫大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，加熱器就會(huì)停止工作，直到恢復(fù)到我們需要的溫度。當(dāng)溫度降到設(shè)置溫度以下，便又開(kāi)始工作，直到水溫達(dá)到要求。2.3.2原理圖設(shè)計(jì)原理圖我們采用方便布線的ProtelDXP進(jìn)行繪制，如圖2.3.2展示。圖2.3.2原理圖2.4軟件設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，我們將軟件流程繪制成以下圖2.4。圖2.4軟件流程圖由于系統(tǒng)具有比較大的慣性和滯后性，所以我們選擇了PWM控制中較為常用的單周期控制法。每一個(gè)周期都由“通”和“斷”構(gòu)成，“通”即為繼電器接受到了高電平，電路可以正常導(dǎo)通開(kāi)始工作，“斷”即為繼電器接收到了低電平，電路便中斷，停止工作。控制系統(tǒng)的基本工作如下介紹：PC把經(jīng)過(guò)增量式PID算法得到的控制量通過(guò)采集卡的數(shù)字量輸出通道傳送給繼電器，即電路開(kāi)關(guān)，假如輸出的是高電平，則繼電器開(kāi)關(guān)為“開(kāi)”的狀態(tài)，就電路導(dǎo)通；反之，如果輸出的是低電平，則繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“關(guān)”，電路不能工作，所以我們可以通過(guò)固態(tài)繼電器的“通”與“斷”去控制電路是否導(dǎo)通工作。第3章PID控制算法研究3.1算法簡(jiǎn)要介紹PID控制是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中，PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)分模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法就是利用硬件電路實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。數(shù)字法就是對(duì)經(jīng)典的模擬PID進(jìn)行了數(shù)字模擬，用數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)代替模擬調(diào)節(jié)器。在采樣周期較小時(shí)，數(shù)字模擬PID控制算法是一種較理想的控制算法。數(shù)字PID控制在智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)中是一種普遍采用的控制方法，本章介紹數(shù)字PID控制的基本原理、參數(shù)的整定及本系統(tǒng)中PID算法的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。工程生產(chǎn)實(shí)際中，最為廣泛的應(yīng)用調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例（P）、積分（I）、微分控制（D），通常稱(chēng)為PID控制，又被叫做PID調(diào)節(jié)，它通過(guò)控制過(guò)程中產(chǎn)生的偏差值的比例、積分以及微分運(yùn)算后，用得出的數(shù)值來(lái)控制被控對(duì)象。圖3.1是PID基本控制結(jié)構(gòu)圖。圖中R是設(shè)定的期望值，y為控制變量，S是實(shí)際輸出值，c為控制偏差。圖3.1PID算法體系結(jié)構(gòu)PID控制問(wèn)世已經(jīng)70余年，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性比之其他調(diào)節(jié)更為之高、調(diào)整起來(lái)更加方便等等優(yōu)點(diǎn)，從而成為了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中重要技術(shù)之一。當(dāng)我們掌握的被控對(duì)象的數(shù)據(jù)不完整和，或者沒(méi)有精確的模擬模型時(shí)，其他的控制理論難以運(yùn)用到實(shí)際中，這時(shí)候PID控制理論就顯現(xiàn)出它的獨(dú)特之處。就是說(shuō)當(dāng)我們不能掌握足夠的控制對(duì)象的資料，也不能利用手動(dòng)測(cè)量時(shí)，最適合的莫過(guò)于PID控制技術(shù)。比例（P）控制比例控制是一種較為簡(jiǎn)單的控制方式，它控制的是輸出和輸入誤差的比例關(guān)系，控制規(guī)律為(1)式y(tǒng)=K*e+x………………(1)K為比例系數(shù)，x是偏差，e是零時(shí)輸出值。圖2是比例控制的輸入輸出關(guān)系示意圖。積分（I）控制在積分控制中，由控制器輸入和輸出決定的誤差信號(hào)積分成正比關(guān)系，對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)去穩(wěn)態(tài)之后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。為了消除這種穩(wěn)態(tài)誤差，則必須在系統(tǒng)中引入“積分項(xiàng)”。這種積分項(xiàng)則是隨著時(shí)間的變化而變化，時(shí)間增加則積分項(xiàng)增大。在這樣的情況下，即便誤差非常小，積分項(xiàng)也會(huì)增大，它就會(huì)使控制器的輸出增大進(jìn)而使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步的減小，直到等于0。微分（D）控制而微分控制，則是控制器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的誤差的微分的正比關(guān)系。自控系統(tǒng)在克服誤差從而進(jìn)行的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩甚至失去穩(wěn)定狀態(tài)。究其原因則是存在慣性較大的環(huán)節(jié)，而它的變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法就是在控制系統(tǒng)中引入微分，“積分項(xiàng)”在這時(shí)候已經(jīng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用了的，我們則需要“微分項(xiàng)”，“微分項(xiàng)”能預(yù)測(cè)誤差變化的走向也就是趨勢(shì)，這樣對(duì)有滯后或者較大慣性的控制對(duì)象來(lái)說(shuō)，比例加微分（PD）則可以改變調(diào)節(jié)中的動(dòng)態(tài)變化。在PID中：積分控制是只要有余差的存在，積分控制就會(huì)依照程序逐漸增加控制在過(guò)程中起到的作用，直到余差消失，我們可以看到的是積分控制在過(guò)程中執(zhí)行的比較慢。而對(duì)微分控制來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)際測(cè)量值比預(yù)計(jì)設(shè)定的值要低，在過(guò)程中快速上揚(yáng)的趨勢(shì)則需要盡快的得到控制，這時(shí)候微分控制便會(huì)出來(lái)大展身手。作為其本的控制，微分控制看的則是趨勢(shì)而不是具體的設(shè)定數(shù)值，只用微分控制進(jìn)行基本控制的話，我們需要把實(shí)際數(shù)值穩(wěn)定下來(lái)，但是在生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)值不可能一成不變。比例控制就沒(méi)有這些問(wèn)題，它反應(yīng)快，穩(wěn)定性高，但是對(duì)控制過(guò)程起不到增強(qiáng)的作用。綜上，只單獨(dú)取某一種控制方法來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)控制都是不可行的，需要把他們結(jié)合起來(lái)才能進(jìn)行更好的控制。3.2增量式PID算法我們所研究的溫度控制系統(tǒng)具有時(shí)變性、滯后性和非線性的特點(diǎn)，所以想要建立該系統(tǒng)的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型是不可行的，如果想使用較為常規(guī)的線性理論，又想控制結(jié)果比較滿意，真的很困難。眾所周知，工程上常用的PID控制器理論已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)成熟的程度,隨著PID控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展,控制的應(yīng)用PID已經(jīng)相當(dāng)廣泛。我們這里運(yùn)用的是增量式PID算法進(jìn)行運(yùn)算作業(yè)，將比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，然后去控制被控對(duì)象，具體參見(jiàn)（2）式：…………（2）式中：KP為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TP為微分時(shí)間常數(shù)。增量式PID也可以用流程框圖3.2.2來(lái)說(shuō)明過(guò)程：圖3.2.2PID算法流程框圖上圖表示出了增量式PID算法的流程圖，增量式PID算法盡管只是在算法上做出了一點(diǎn)點(diǎn)改動(dòng)，卻給使用者們帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)。由于一般計(jì)算機(jī)輸出的是增量，所以誤動(dòng)作對(duì)輸出的影響不大，必要的時(shí)候可以使用邏輯判斷來(lái)進(jìn)行消除，算式中也不需要對(duì)誤差進(jìn)行累加。所以，我們也可以將上述公式（2）改為以下面的公式（3）：…………（3）綜上所述，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量不是絕對(duì)值，而是控制量的增量，我們便需要增量式PID算法。而我們所討論的溫控系統(tǒng)具有一定的滯后，所以使用常規(guī)的PID算法也很難控制這種滯后，所以我們運(yùn)用上述這種算法。再將以上兩個(gè)式子進(jìn)行離散化處理，我們便得到了一個(gè)新的PID表達(dá)式（4）：…………（4）其中T為采樣周期，K是采樣序號(hào)并逐漸增長(zhǎng)。有了上面的公式，我們便可以根據(jù)遞推原理得到公式（5）：…………（5）再用（4）式減去（5）式，則得到公式（6）：…………（6）其中A、B、C都是與比例系數(shù)、積分常量和微分常量有關(guān)的系數(shù)。此算式中控制器輸出的控制量的增量與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)，上述最后一個(gè)公式稱(chēng)為數(shù)字PID的增量式算法。由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了比例、微分和積分，只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，即可求出控制增量。大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4章項(xiàng)目成果4.1硬件成果物4.1.1線路連接圖電熱器連接圖：將電熱器連接線安正負(fù)極接到主板繼電器上，展示如圖4.1.1：圖4.1.1電熱器連接圖溫度傳感器連接圖：將入水式溫度傳感器接到主板上，如圖4.1.2展示：圖4.1.2溫度傳感器連接圖4.1.2展示圖展示圖4.1.3為正在工作的實(shí)驗(yàn)裝置，按下開(kāi)關(guān)鍵上電成功，實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)始工作，液晶屏第一行顯示設(shè)置溫度，也就是要求溫度；第二行為實(shí)際18B20檢測(cè)到的水溫。圖4.1.3實(shí)物圖4.2軟件成果物圖4.2軟件成果圖圖4.2從左上開(kāi)始為時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源指示燈、電源電路、液晶顯示電路、18b20連接方法、按鍵電路以及51單片機(jī)和加熱器的連接電路。4.3主要程序系統(tǒng)運(yùn)用了增量式PID算法，所以以此算法為核心，講一下主要程序。圖4.3主要程序圖4.3為我們程序中比較核心的加熱控制函數(shù)。先引入PID算法，請(qǐng)求新的占空比，然后運(yùn)用公式計(jì)算出偏差和增量，設(shè)置好系數(shù)，開(kāi)始計(jì)算。當(dāng)我們實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)到的溫度大于設(shè)定值，則輸出高電平，加熱器停止工作。當(dāng)小于設(shè)定值，我們便調(diào)整新的脈寬定時(shí)，即新的占空比，然后控制加熱器的工作與否。具體參見(jiàn)附錄。4.4軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程//加熱控制函數(shù)//voiddeal(uintt) { if(zhouqi==1) { zhouqi=0; ek=set_temp-t; u_k=kp*(ek-ek1)+ki*ek+kd*(ek-2*ek1+ek2); uk=uk1+u_k;zkc=100*uk/uc; if(zkc>=90) zkc=90;}if(t>=(set_temp)) shuchu=1; else { ZKB=(int)zkc; if(click<=ZKB) shuchu=0; else shuchu=1; } uk1=uk;ek2=ek1;ek1=ek;}//中斷程序//voidtimer0(void)interrupt1 { TH0=0x4c;TL0=0x00; click++;flag1++; if(click>=100) {click=0;zhouqi=1;} }//溫度控制系統(tǒng)主程序//voidmain(){ write_com(0x01); tempchange(); get_temp(); get_temp(); delay(5000); tempchange(); get_temp(); init(); initlcd(); while(1) { keyscan1(); if(flag3==0) { tempchange(); if(Start_Flag==1) deal(get_temp()); elseshuchu=1; b=get_temp(); display(); } } }第5章結(jié)論在如今經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和過(guò)程控制的智能化的要求，智能化的控制系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的親睞，它在節(jié)省人力和物力的同時(shí)又安全可靠。單片機(jī)作為可編程的控制器在小型的自動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)中發(fā)揮出越來(lái)越來(lái)大的作用。溫度作為系統(tǒng)經(jīng)常需要測(cè)量、保持、和控制的一個(gè)量，在化工、冶煉、電力，以至于日常生活中的空調(diào)機(jī)和電壓力鍋等，都需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。但生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的溫度控制系統(tǒng)具有大的滯后性，單純采用PID算法校正的溫度控制系統(tǒng)具有高頻擾動(dòng)大、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)、PID參數(shù)整定困難、有較大超調(diào)量等弊端。但以單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制參數(shù)整定方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)?？朔藗鹘y(tǒng)控制的系統(tǒng)復(fù)雜、精度小、成本大的缺點(diǎn)。適于普遍性生產(chǎn)和應(yīng)用，對(duì)人們的生活和生產(chǎn)效力的提高有很大作用。參考文獻(xiàn)[1]王蕾,宋文忠.PID控制[J],自動(dòng)化儀表,2004,25(4)[2]胡俊達(dá),胡慧黃,望軍.自適應(yīng)PID[J],中華紙業(yè),2005,26(2):48-51[3]吳洪鑫,沈少萍.PID控制的應(yīng)用與理論依據(jù)[J],控制工程,2003,10(1):37-42[4]楊巨慶,黃健.段麗華.PID控制技術(shù)與應(yīng)用[J],哈爾濱師范大學(xué)自然報(bào),2004,20(2):76-78[5]金奇,鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法[J],重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2008,22(5):92-94[6]嚴(yán)曉照,張興國(guó).基增量式PID控制在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J],南通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,5(4):48-51[7]王威,楊平.智能PID控制方法的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J],自動(dòng)化儀表,2008,29(10)[8]孫林軍.智能PID控制研究[D],浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,2003[9]馬建偉.基多指標(biāo)滿意PID控制設(shè)計(jì)研究[D],南京理工大學(xué),2005[10]JohnA.Shaw.ThePIDControlAlgorithm[M],ProcessControlSolutions,2003[11]KrishnaPrasadDasari,A.M.PrasadME,V.SaiKrishna.WaterTemperatureandFlowcontrolMeasurementforThermalDischargeModelusingPIDcontroller[J],InternationalJournalofEngineeringResearchandApplications,2012,2(4):2198-2202大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）致謝歷時(shí)將近半年的時(shí)間終于將這篇論文完成，真的很高興，大學(xué)三年要畫(huà)上句號(hào)，也很不舍。從論文選題到收集材料，從開(kāi)題報(bào)告到論文的完成，也經(jīng)歷的喜悅和痛苦，剛剛開(kāi)始寫(xiě)論文時(shí)也有很復(fù)雜的心情，但是當(dāng)這篇論文完成時(shí)，不可否認(rèn)的是，自己的喜悅感。在論文的寫(xiě)作過(guò)程中也遭遇了無(wú)數(shù)的困難和障礙，慶幸的是都在老師的幫助下戰(zhàn)勝了這些困難。尤其要感謝的是我的指導(dǎo)老師肖樂(lè)老師，他為人勤懇，不厭其煩的對(duì)我進(jìn)行幫助，對(duì)我的論文的修改和改進(jìn)。另外，每當(dāng)需要去圖書(shū)館查資料的時(shí)候，圖書(shū)館的老師也會(huì)給我很大的便利和幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最中心的感謝！非常感謝這篇論文所提及的學(xué)者們，如果沒(méi)有你們的研究成果在先，也就沒(méi)有這篇論文在后。同時(shí)也感謝我的同學(xué)們，在我完成論文這段時(shí)間里，給與我很大的幫助與支持。由于學(xué)識(shí)有限，所以論文難免不足，希望給老師同學(xué)指正。-附錄#include<reg52.h>//#define uchar unsigned char//#define uint unsigned intsbit rs = P2^5;sbit wr = P2^6;sbit e = P2^7; //LCD的RS,WR,E的端口sbit key_up = P3^2;sbit key_down = P3^3;//數(shù)字加按鍵，數(shù)字減按鍵sbitkey_set = P3^4; //SETUP鍵sbitkey_enter = P3^5;sbit ds=P1^0; //溫度傳感器信號(hào)線sbit shuchu=P2^0; //繼電器控制輸出bitStart_Flag=0;uint ZKB;float zkc; //定義占空比初始值float kp=1;float ki=0.1;float kd=10; //定義PID初始值,浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)float ek,u_k,uk,uk1, ek1,ek2;uchar click; //中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器變量uint b,n,set_temp=30,flag,flag1,flag2,temp,zhouqi,uc=1000;uchar inq,inb,ins,ing,num,temp1,yi,er,san,si,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8; float f_temp,send; //定義浮點(diǎn)型的溫度數(shù)據(jù)charcomm_data1=0;charflag3=0;void write_com(uchar com);void write_data(uchardat);//初始化程序//void init(){ TMOD=0x01; //定時(shí)器初始化,T0方式1,T1方式2TH0=0x4c; TL0=0x00; //定時(shí)器0初值設(shè)置 ET0=1; EA=1; TR0=1;}void delay(uintu){ intx,y; for(x=u;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}void delay1(ucharu){ uint x,y; for(x=u;x>0;x--) for(y=50;y>0;y--);}//溫度子程序//voiddsreset(void) //DS18B20復(fù)位，初始化函數(shù){ uinti;ds=0;i=103; while(i>0)i--; ds=1;i=4; while(i>0)i--;}bittempreadbit(void) //讀1位數(shù)據(jù)函數(shù){ uinti;bitdat; ds=0;i++; //i++起到延時(shí)作用 ds=1;i++;i++;dat=ds; i=8;while(i>0)i--; return(dat);}uchartempread(void) //讀1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù){ uchari,j,dat; dat=0; for(i=1;i<=8;i++) { j=tempreadbit(); dat=(j<<7)|(dat>>1); } //讀出的數(shù)據(jù)最低位在最前面，一個(gè)字節(jié)里 return(dat); }voidtempwritebyte(uchardat) //向DS18B20寫(xiě)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù){ uinti;ucharj;bittestb; for(j=1;j<=8;j++) { testb=dat&0x01;dat=dat>>1; if(testb) { ds=0;i++;i++;ds=1;i=8;while(i>0)i--;} //寫(xiě)1 else { ds=0;i=8;while(i>0)i--;ds=1;i++;i++;} }} voidtempchange(void) //DS18B20開(kāi)始獲取溫度并轉(zhuǎn)換{ dsreset();delay(1); tempwritebyte(0xcc); //寫(xiě)跳過(guò)讀ROM指令 tempwritebyte(0x44); //寫(xiě)溫度轉(zhuǎn)換指令 tempwritebyte(0x3f); //設(shè)置溫度分辨率為10位} uintget_temp() //讀取寄存器中存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù){ uchara,b; dsreset();delay(1);tempwritebyte(0xcc);tempwritebyte(0xbe); a=tempread(); //讀低8位 b=tempread(); //讀高8位 temp=b;temp<<=8; //兩個(gè)字節(jié)組合為1個(gè)字節(jié) temp=temp|a;f_temp=temp*0.0625; //獲取實(shí)際溫度 temp=f_temp*100; //乘以100表示小數(shù)點(diǎn)后面只取2位 returntemp; //temp是整型的}//獨(dú)立鍵盤(pán)掃描程序//voidkeyscan1() //鍵盤(pán)掃描{ if(key_set==0) //SET鍵按下{ delay(1); //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) while(!key_set); Start_Flag=0; flag3++; if(flag3==1) { write_com(0x89); write_com(0x0f); } if(flag3==2) { write_com(0x8a); write_com(0x0f); } if(flag3==3)flag3=1;} if(key_enter==0) //OK鍵按下{ delay(1); //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) if(key_enter==0) //確認(rèn)數(shù)字加按鍵按下 { write_com(0x0c); flag3=0; set_temp=yi*1000+er*100; Start_Flag=!Start_Flag; //確認(rèn)鍵按下才執(zhí)行PID控制 } while(!key_enter); }if(flag3!=0) { if(key_up==0) //數(shù)字加按鍵按下{ delay(1); //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) if(key_up==0) //確認(rèn)數(shù)字加按鍵按下 { if(flag3==1){yi++;if(yi>9)yi=0;write_com(0x89);write_data(yi+'0');write_com(0x89);}//溫度初始值加10度 if(flag3==2){er++;if(er>9)er=0;write_com(0x8a);write_data(er+'0');write_com(0x8a);} //溫度初始值加1度 } //設(shè)置最大溫度99.99度 while(!key_up); } if(key_down==0) //數(shù)字減按鍵按下 { delay(1); //延時(shí)消除按鍵抖動(dòng) if(key_down==0) //確認(rèn)數(shù)字減按鍵按下 { if(flag3==1){if(yi<=0)yi=10;yi--;write_com(0x89);write_data(yi+'0');write_com(0x89);}//溫度初始值減10度 if(flag3==2){if(er<=0)er=10;er--;write_com(0x8a);write_data(er+'0');write_com(0x8a);} //溫度初始值減去1度 } //設(shè)置最小溫度0度 while(!key_down); }}}//LCD1602顯示程序//void write_com(uchar com) //寫(xiě)命令{rs=0;wr=0;P0=com;delay(5);e=1;delay(5);e=0; }void write_data(uchardat) //寫(xiě)數(shù)據(jù){rs=1;wr=0;P0=dat;delay1(5);e=1;delay1(5);e=0;}void initlcd() //初始化{rs=0;wr=0;e=0;write_com(0x38); write_com(0x0c); //顯示開(kāi)，光標(biāo)不顯示，字符不閃爍 write_com(0x06); write_com(0x01);//write_com(0x80); //清屏，顯示地址}void write_ser(uchar *ser) //寫(xiě)字符串{ uint i; for(i=0;ser[i]!='\0';i++) { write_data(ser[i]); delay(5);} }void display() //顯示{ write_com(0x80); //第一行首地址 write_ser("SET_TEMP:"); //字符串 write_data(yi+'0');write_data(er+'0');write_data('.'); write_data(san+'0');write_data(si+'0');write_com(0x8e); write_data(0xdf);write_data('C'); write_com(0xc0); //第二行首地址 write_ser("CUR_TEMP:"); //字符串b=get_temp(); //測(cè)量的溫度write_data(b/1000+'0'); write_data(b%1000/100+'0'); //十位，個(gè)位write_data('.'); //小數(shù)點(diǎn)write_data(b%100/10+'0');write_data(b%10+'0'); //0.1，0.01write_data(0xdf);write_data('C'); }