基于單片機(jī)PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，時(shí)變性，純滯后等特點(diǎn)，其控溫過程存在非線性波動(dòng)等問題。本文采用AT89C51單片機(jī)基于PID算法設(shè)計(jì)了一種電加熱溫度控制系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能夠有效提高電加熱爐溫度控制的魯棒性，符合新形勢(shì)下對(duì)爐溫調(diào)控的實(shí)際需求。關(guān)鍵詞：電加熱爐；溫度控制；單片機(jī)；PID算法1引言電加熱爐在冶金、化工、機(jī)械等領(lǐng)域具備廣泛的用途，但是它是一個(gè)多時(shí)變、存在物理耦合、本質(zhì)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的基于滯后反饋的控制律無法平衡爐溫檢測(cè)與爐溫調(diào)控之間的時(shí)間同步關(guān)系，容易造成整個(gè)加熱爐爐溫調(diào)控系統(tǒng)的溫度非線性波動(dòng)、間歇性振蕩，引起爐溫調(diào)控器的參數(shù)變化。因此提高電加熱爐的溫度控制水平，是當(dāng)今工業(yè)控制技術(shù)的主要研究方向之一。常規(guī)控制方法難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度和響應(yīng)速度。相比之下，經(jīng)典的增量PID控制算法，無需針對(duì)控制對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型，便可實(shí)現(xiàn)較發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的精確控制。本文基于PID算法，提出設(shè)計(jì)了一套電加爐控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列單片機(jī)，具備數(shù)據(jù)采集、調(diào)控、顯示、報(bào)警等多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和模擬仿真，能有效改善電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能。2總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器PT100采樣實(shí)時(shí)溫度，并通過變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，運(yùn)用PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制（圖1）。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖2.1系統(tǒng)硬件選擇單片機(jī)是指將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上的單片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制。它具有體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)選用的是MCS-51單片機(jī)系列中的AT89C51，其具有結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、高可靠性和高性價(jià)比等特點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。2.2系統(tǒng)算法選擇由于溫度控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有慣性大，連續(xù)性的特點(diǎn)。因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。一般來說，熱過程大多具有較大的滯后，它對(duì)任何信號(hào)的響應(yīng)都會(huì)推遲一段時(shí)間，使輸出與輸入之間產(chǎn)生相移。一般來說可以采用如輸出開關(guān)量控制、比例控制（P控制）、比例積分控制（PI控制）、比例積分加微分控制（PID控制）。比例積分加微分控制的特點(diǎn)是微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成正比例，它對(duì)克服對(duì)象的容量滯后有顯著的效果。在比例基礎(chǔ)上加上微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差。因此，PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用PID的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。PID的一般反饋過程為：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化，其控制規(guī)律為：（1）單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量，不能直接計(jì)算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采用數(shù)值計(jì)算法逼近后，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式計(jì)算：（2）如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。我們變換式（2）得：（3）把△ei=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1帶入式（3）得：（4）式（4）中ei=W—Yi，W為設(shè)定值，Yi為第i次實(shí)際輸出值，Kp為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù)D=Td/T，T為采樣周期，以式（4）來編程比較方便。式中Kp、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本程序先將用戶設(shè)定溫度和鍋爐實(shí)際溫度T比較，計(jì)算出偏差ei，然后分兩種情況進(jìn)行計(jì)算控制變量：1）當(dāng)ei大于等于設(shè)定的偏差e時(shí)，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2）當(dāng)ei小于設(shè)定的設(shè)定的偏差e時(shí)，正常的分別計(jì)算Pi、Pd和Pp，然后根據(jù)算法公式計(jì)算出控制變量。3功能模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)共分為以下六大模塊：1）單片機(jī)控制模塊A/T89C51是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，將采集來的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，利用PID算法得出結(jié)果并送輸出。本系統(tǒng)集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開關(guān)由8路模擬開關(guān)和3位地址鎖存譯碼器組成，可選通8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號(hào)ALE將3位地址信號(hào)ADDA、ADDB、ADDC進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時(shí)序電路等。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU數(shù)據(jù)總線上。實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過傳感器的檢測(cè)并通過變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)，而A/D0808則用來采集電壓信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。3）按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個(gè)按鍵用來進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個(gè)進(jìn)行溫度加，一個(gè)進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計(jì)要求，溫度的設(shè)定范圍為50-150度。圖2功能模塊設(shè)計(jì)圖表1系統(tǒng)配置清單表序號(hào)部件名稱所屬類數(shù)量1AT89C51MicroprocessorICs12A/D0808DataConverters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL74LSseries18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL74LSseries810NOTSimulatorPrimitives111NORSimulatorPrimitives212POT-HGResistors113電容Capacitors214CLOCKSimulatorPrimitives215CRYSTALMiscellaneous116電阻Resistors117INPUT終端418GROUND終端719VSOURCESimulatorPrimitives14）顯示模塊顯示模塊采用兩個(gè)7段共陰極數(shù)碼管，一個(gè)用來顯示實(shí)時(shí)溫度，一個(gè)用來顯示設(shè)定溫度，并用74LS04來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。5）報(bào)警模塊當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于或低于設(shè)定溫度5度以上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，報(bào)警指示燈紅燈亮。6）輸出模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)通過P3.4口的高低電平來控制加熱系統(tǒng)的通斷，通過導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短來控制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時(shí)，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時(shí)，全功率加熱。由于仿真軟件自身?xiàng)l件的原因，使用綠色的LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。4軟件仿真設(shè)計(jì)采用PROTUES軟件進(jìn)行仿真。PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。PROTUES是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，是集電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。利用Matlab中的Simulink繪制系統(tǒng)仿真圖形，如圖3所示。圖3系統(tǒng)仿真圖5調(diào)控結(jié)果分析對(duì)積分和微分先進(jìn)行處理，使得到的等幅震蕩時(shí)的kc值，當(dāng)Kc=1.13，Tc=40，TI=0，TD=0時(shí)出現(xiàn)等幅震蕩曲線（圖4）。然后通過Z-N法則的第二法，加入為微分和積分之后，采用PID控制。圖4系統(tǒng)仿真等幅震蕩曲線改變Kp的值，既可以得到不同的結(jié)果，如圖5所示。從圖中可以分析出Kp從0.7上調(diào)至1.1時(shí)對(duì)系統(tǒng)超調(diào)量造成的影響。當(dāng)Kp增大到一定程度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增加，穩(wěn)定性變差，并且使得系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。當(dāng)Kp為1時(shí)，系統(tǒng)開始出現(xiàn)震蕩，在Kp大于1時(shí)，出現(xiàn)劇烈震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。圖5不同Kp值對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性變化情況6結(jié)論本文以AT89C51單片機(jī)為主體，設(shè)計(jì)了一個(gè)能處理較復(fù)雜數(shù)據(jù)和控制功能的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能。通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)消除穩(wěn)態(tài)誤差，最終使得實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的誤差穩(wěn)定在一定范圍。本系統(tǒng)對(duì)電加熱爐的溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化具有一定借鑒意義。參考文獻(xiàn)[1]陳強(qiáng).基于C51單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,201