水温控制系统设计论文

水温控制系统设计论文 水温控制系统设计 摘要:水温控制系统以单片机为中心控制器件，主要由温度传感模块，A/D转换 放大模块，单片机编程模块，显示模块和控制模块等部分组成。温度信号由温度 传感器采集，经过放大转化为电压信号进行编码，测温分辨率0.1?。水温实时 控制由继电器电热丝进行升温和降温。显示部分由“人机交互界面”的液晶显示， 增加可读性。该系统具备较高的测量精度，能较好的完成设计要求。 关键字:单片机 水温控制 温度传感模块 Abstract: The temperature control system ，which is regarded as the central control device of microcontroller, is constructed by the temperature sensing module, A/D converter amplifier module, control module, microcontroller programming module, display module and other components. Temperature signal is collected byte temperature sensor which is amplified into a voltage signal is encoded, temperature resolution is 0.1 ?. Real-time control temperature can be heated by heating wire . Display part is quoted by “man-machine interface”of LCD to increase the readability. The system features is of high accuracy, and it can have better complete of the design requirements. Keywords: microcontroller temperature control temperature sensing module 一、引言 在能源日益紧张的今天，各类家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费浪费。所以该系统利用AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。 1.1课题研究的背景 在人类的生活环境中，水温扮演着极其重要的角色，自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能够掌握水温控制有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业可以说几乎80%的工业部门都得考虑着水温的因素。水温控制无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，如热水器、自动饮水机等都要用到水温控制系统。因此我们应该应用电子专业知识，实现水温控制的自动化，提高工业企业自动化水平。 目前，国外水温控制系统及仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 正朝着高精度智能化，小型化等快速发展。水温控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的水温控制器来说，总体发展水平仍然不高，同外国的日本，美国，德国等先进国家来相比，仍有较大差距。目前，我国在这方面总体技术处于20世纪80年代中后期水平，它大多采用有模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转化器及单片机组成的传输系统。这种系统需要布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸复杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据水温变化及时作出决定。在这样的情况下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理一些水温信息的系统就很有必要。 随着科学技术的不断发展，和人们对生活品质要求的不断提高，现代电子产品在大众的生活中有着举足轻重的作用，产品的功能和性能也随着人们的要求不断完善，不断提高。在此要求下，设计了一个基于单片机的水温控制系统，以单片机为核心完成测量水温、加热温度、恒温控制和警报等功能。水温通过基于单片机的水温控制系统设计的实验表明以单片机为核心可以实现对水温的控制也 可以根据用户的需求进行设置。该系统应用广泛，在此基础上再进行改善便可达到综合的应用效果。 近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性能价格比较高等优点，在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到广泛的应用。用单片机对水温进行实时检测和控制来解决工业及日常生活中对水温的及时自动控制，是现代水温控制系统发展的趋势。 1.2课题研究的目的和意义 水温控制无论是在工业生产过程中。还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当今全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。 在计算机没有发明之前，这些控制都是我们难以想象的，而当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日渐降低，可靠性足步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的，而且是可以实现的，用高新技术来解决生活用水问题，实施对水温控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。 随着社会的发展，水温的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机设计了水温实时测量及控制系统。单片机能够根据温度传感器所采集的温度在液晶屏上实时显示，通过控制从而把水温控制在设定的范围之内。所有温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。通过该课程的学习使我们对计算机控制系统有一个全面的了解、掌握常规控制算法的使用方法、掌握简单微型计算机应用系统软硬的设计方法，进一步锻炼我们在微型计算机应用方面的实际工作能力。 该课题的研究适应了社会对于水温控制的发展趋势，将单片机应用于水温控制系统中，将单片机控制方式成功的引入了水温控制领域，丰富了水温控制技术，该系统可用作工厂、学校等场所的温度检测设施，有人工设定温度，有很好的实用价值，控制系统不仅可以用于控制水温，还可以应用到对温度有一定要求的其他领域。也为今后水温控制技术的发展探索了一条行之有效的道路，具有广阔的发展空间。实现水温控制的方法有很多种，如单片机控制，PLC控制，模糊控制 等，而其中用单片机实现的水温控制系统，具有可靠性高、价格低廉、简单以实现等众多优点。 1.3水温控制系统概述 水温控制无论在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源 的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对 水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。 在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，要求对加热炉温度进行测量、显示、控制，使之达到 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，以单片机为核心设计的炉温控制系统，可以同时采集多个数据，并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制。那么无论是哪种控制，我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度帮助我们实现我们想要的控制，解决身边的问题。 在当今，随着电子行业的迅猛发展，计算机技术和传感器技术的不断改进，而且计算机和传感器的价格也日益降低，可靠性逐步提高，用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不仅是可以达到的而且是容易实现的。用高新技术来解决工业生产问题，排除生活用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务，以此来加强工业化建设，提高人民的生活水平。 二 水温控制系统设计过程 对题目进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个部分:测温电路、 控制电路和功率电路。 2.1 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的论证 根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案: 方案1:此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。 方案2:采用单片机AT89C51为核心。采用了温度传感器DS18B20采集温度变化信号，A/D采样芯片ADC0804将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。 比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足，并具有控制简单、 。 控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2 2.1.1控制电路的方案选择 方案一:采用模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的水温控制，这是足够的。但是附加显示、温度设定等功能时需附加许多电路，稍显麻烦。而使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作较烦琐。 方案二:采用FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制、显示和键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，价格较高，显然大材小用。 方案三:采用AT89C51单片机，其内部有8KB单元的程序存储器，不需外部 扩展程序存储器，而且它的I/O口也足够本次设计的要求。 综上所述本设计采用方案三作为控制电路。设计电路图如图1-2 所示。 图1-2 AT89C51单片机原理图 2.1.2测温电路方案的选择 方案一:采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，要实现精度测量，需要配上精密较高的电阻。此外还需要制作相应的调理电路。 方案二:用DS18B20:通过DS18B20温度传感器采集温度，价格较高精度高。 DS18B20是DALLAS半导体公司生产的，是一种单总线温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，有两种封装形式分别为3脚PR-35封装和16脚SSOP封装。本文采用的是3脚PR-35封装，其具有以下特点: (1)采用了单总线技术，传感器直接以二进制输出被测温度，可通过串行口线，也可与单片机通过I/O口连接; (2)测量温度范围为:-55?,+125?，测量精度高达+0.5?; (3)内含寄生电源，在两线方式下可通过数据线提供寄生电源，而不需要再单独供电 (4)转换时间在分辨率为12位(即0.0625?)时最大为750ms; (5)用户可分别对每个器件设定温度上下限; (6)DS18B20在使用时不需要任何外围元件，全部传元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内; (7)电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作; (8)每个DSl8B20器件对应一个唯一的64位长的序号，该序号值存放ROM中，可通过序号匹配实现多点测温。 综上所述本设计采用方案二作为测温电路。 2.1.3加热控制方案的论证 首先要选择好加热装置，可以采用热得快进行加热，控制热的快的功率即可控制加热速度。当水温过高时，一般不能对水进行降温控制，而只能关掉热得快，让其自然冷却。在制作中，为了达到更好的控制效果，也可以放置一个小风扇，当加热时开启热得快关闭风扇，当水温超高时关闭热得快开启风扇加速散热。 加热器这类电阻性电器可直接使用220V交流电，控制有两种实现方式。它们的电压波形如图1-3所示。 导通角控制周期 角 (a) (b) 图1-3电压波形图 具体方案如下: 方案一:采用控制导通交流周期数的方式如图(a)所示，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。水温控制系统具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。 方案二:采用控制导通角的方式如图(b)所示，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制精度比较高。 综上所述本设计采用方案二作为控制算法。 2.1.4控制算法方案选择 方案一:采用模糊控制算法，对于一个典型的模糊控制系统，考虑它的输入 ,e信号有偏差和偏差变化率两种，输出信号为控制信号。根据测试经验，可eu 选取三角型隶属函数，分为正大、正中、正小、正零、零、负零、负小、负中、负大，9个档次。然后根据控制规则列出规则基表。这种控制方法能够较精确的实现设计要求，但是考虑到单片机的存储量，和实时性，不采取这种尚未完全推广的控制方法。 方案二:采用经典PID控制算法和根据实验数据分区间控制的算法，对于温度系统来说，被控对象没有精确的数学模型。热得快加热使得水温具有有热惯性，而且检测的实时数据是检测点附近的实时温度，所以经典PID控制算法不能满足设计要求，还必须根据实验数据进行调整。这种控制算法基本能够满足设计要求，且通用性较强。 综上所述本设计采用方案二作为控制算法。 2.2系统原理 2.2.1传感器 传感器是一种能把特定的被测信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。它的使用已有很长的历史，在以前被人们称为变换器或者换能器。传感器与人类的生活息息相关，无论是在民用领域，还是在工业和军用领域都离不开传感器。它既是科技发展中的老成员，又是一个科学界的新秀，前途发展无可限量，近年来，传感器的地位受到了广泛的重视，传感器所涉及的知识是非常广泛的，可以渗透到各个学科领域，可是，利用物理定律和物质的物理特性是它们的共性 ，所以如何采用新技术，新工艺，新材料以及探索新领域，达到高质量转换效能，是将来总的发展方向。 常见的感温元件有热电偶、热电阻、半导体和集成等传感器。它们的主要优缺点是:热电偶价格便宜，但精度低，需冷端补偿，电路设计复杂;热电阻精度高，但需要标准稳定电阻匹配才能使用。而半导体温度传感器需要经过模数转换，数据线多，电路设计比较难。而集成温度传感器具有精度高，线性度好，电路简单，价格适中等优点。因此我们选用由美国DALLAS半导体公司生产的智能型温度传感器DS18B20。 温度传感器DS18B20在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进， 给用户使用带来了更多方便。 (1)DS18B20产品的特点 (a)单线接口:仅需一根线与单片机相连; (b)由用总线提供电源，也可用数据线供电，电压范围:3.0,5.5V; (c)测温范围为-55?,+125?，在-10,85?时，精度为0.5?; d)可编程的分辨率为9,12位，对应的分辨率为0.5,0.0625?; ( (e)用户可编程的温度报警设置; (f)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字量。 (2)DS18B20的内部结构 DS18B20内部功能模块主要由4部分组成:64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。R0M 中的64位序列号是出厂前被光刻好的，他可以看作是该DSISB20的地址序列码，每个DSI8B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH 和TL，配置寄存器均由一个字节的 E2PROM组成，使用一个存储器功能命令可对 TH，TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1，R0决定温度转换的精度位数:R1R0,’00’,9位精度，最大转换时间为93.75 ms;R1R0 = ‘01’,10位精度，最大转换时间为187.5 ms;R1R0 = ‘10’,11位精度，最大转换时间为375 ms;R1R0 =’11’,12位精度，最大转换时间为750 ms;未编程时默认为12位精度。 (3)DS18B20的使用方法 由于DS18B20采用的是1,Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。 DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 2.2.2 单片机 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。因此，我们选用AT89C51单片机。 AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128byt 的随机存取数据存储器(RAM)，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51主要的功能特点如下: (1)兼容MCS-51指令系统 ; (2)32个双向I/O口 ; (3)两个16位可编程定时/计数器 ; (4)一个串行中断 ; (5)两个外部中断源 ; (6)可直接驱动LED ; (7)低功耗空闲和掉电模式 ; (8)4K可反复查写ROM ; (9)3级加密位 ; (10)全静态操作0MHz-24MHz ; (11)软件设置睡眠和唤醒功能。 2.2.3 控制算法 水温控制系统中，由于加热电炉的热惯性，温度会有一定的超调。而采用单纯的PID控制始终具有较大的超调，因此在输出控制上我们采用PWM方式实现，PWM的基本原理是在一定周期内调节占空比，设定值与实测温度值之差和输出信号的占空比成正比，即实测值与设定值越接近，则输出信号的占空比越小。当实测温度值等于设定值时，输出信号占空比为0，控制继电器关断，停止加热。 而且在该系统中，需要将水温的变化转化为对应的电信号的变化，由于热电偶的结构简单、制造简单、测量范围广，在高温测量中有较高的精度，所以常常选用镍硅电偶做热电传感器。算法则选择PID控制。PID是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史上最久的控制方式。随着科学的发展，特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进的控制方式，然而到现在，PID控制仍然是最广泛的控制方式之一。 常规的模拟PID控制系统原理框图如图1-4所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。其中r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)， etrtyt,, ，，，，，， 图1-4 模拟PID控制系统原理图 e(t)作为PID控制的输入，u(t) 作为PID控制器的输出和被控对象的输入, 所以模拟PID控制器的控制规律为 t，，det，，1 utKpetetdtTd,，，，，，，，，,,,0Tidt，， 其中 Kp:控制器的比例系数 Ti:控制器的积分系数 Td:控制器的微分系数 2.3系统各模块的最终方案 根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案: 1.采用AT89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、LED显示、温度设定、加热装置功率控制。 2.温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。此器件经软件设置可以实现高分辨率测量。 3.电热丝有效功率控制采用继电器控制，实现电路简单实用，加上温度变化缓慢可以满足设计要求。 三 硬件的设计 3.1 主要单元电路的设计 3.1.1 温度采集部分设计 本系统采用半导体温度传感器作为敏感元件。传感器我们采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，直接输出数字量，可以 直接和单片机进行通讯，大大简化了电路的复杂度。DS18B20应用广泛，性能可以满足题目的设计要求。DS18B20的测温电路如图2-1所示。 图2-1 DS18B20的测温电路 3.1.2 显示、控制器部分 本设计中采用动态显示方式驱动3个七段数码管，分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管采用共阴极，由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。所以在位码和段码都加上了同相驱动器。 在显示方面，选用了常用的显示容量为162个字符的液晶显示模块。通过， 相应的软件编程，可以实现比较美观和丰富的显示界面 键盘采用选用常用的44扫描键盘，不过在这个设计中只需要3,5个按键， 即满足要求。按键开关经上拉电阻分别接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到控制、上调和下调作用。每按上调和下调键，设定温度值增1减1。单片机XTAL2、XTAL1接12MHZj晶振，提供系统时钟基值。另RESET接复位按键。原理如图2-2所示。 图2-2 键盘、显示、控制器部分原理图 3.1.3功率控制电路 功率控制电路是本系统硬件设计的关键，由于加热装置的电源是220V,50HZ的市电，选择器件的耐压至少要两倍以上，否则容易发生损坏。下面就方案论证中提出的两种方案功能实现的电路进行进一步的分析，从而确定系统设计电路。(1)控制交流周期数的方式 可以采用MOC3043和可控硅的功率控制电路，图中MOC3043是具有双向晶闸管输出的光电隔离器，SCR是双向可控硅。在MOC3043内部不仅有发光二极管，而且还有过零检测电路和一个小功率双向可控硅。当单片机的I/O口输出低电平信号进入7407时，MOC3043中的发光二极管发光，由于过零电路的同步作用，内部的双向可控硅过零后马上导通，使功率双向可控硅SCR导通，在负载中有电流流过，当I/O口输出高电平时，MOC3043中的发光二极管不发光，内部双向可控硅截止，所以功率双向可控硅SCR也截止，负载中没有电流流过。控制驱动电路如图2-3所示。 +5 U3R5R6A216 A115027U1C 56R825 39SCR740734过零测 C9 0.01ufMOC3043R7 330 21 J3-3 控制驱动电路图 图2负载接口(2)控制导通角的方式 首先要设计交流电过零检测电路，将检测信号送如单片机，延时输出触发信号，触发双向可控硅导通，使交流电加在热得快两端。 如图2-4所示是一种可实现的交流电过零检测电路，通过变压器讲220V交流电降压为6V后进行过零检测，通过光耦合器输出过零检测信号，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高。正半周期输出低电平，负半周期输出高电平。 +5V D2R10R6C25V4702400.1uFR81KR9 U2100K D1C11N4007220uFTIL113 Q1R7T1 1K220V6VD3GND TRANS1 图2-4 可实现的交流电过零检测电路 过零检测电路的输出信号可送入单片机中断控制口，通过单片机的中断控制可根据需要，延时输出触发信号，控制每个周期内导通相角的大小。驱动控制部分实现电路图如图2-5所示，经过单片机处理的触发信号通过光耦合器触发双向可控硅导通，在下个零点到来时截止，从而可以对交流电的半个周期的有效值周期性调节。 R4R2C2D1D3+5VC110k470uF10V1N40071MUin=220V1000pF D2C3 Q1R11N40071uF/600V470R3240 U1热得快 TIL113 图2-5 驱动控制部分实现电路图 3.1.4报警电路: 本系统采用ISD1420作为温度语音芯片，它有20s的录放时间。它的基本组成有时钟电路、拾音放大、自动增益控制电路、滤波器、差动功放、电源电路、2地址译码电路组成。PLAYE和PLAYL分别于单片机I/O口连接。图2-6EPROM 为回放电路的时序图。PLAYL上升沿触发回放，下降沿截止;PLAYE上升沿触发回放语音信号，直至回放结束。报警电路如图2-7所示。 图2-6 回放电路的时序图 +5 +5 R15R16R17D1+5100K100K100K12R9121KLEDS1C7PLAYE0.001UFU4R14SW1281KS2A0VCCD227RECPLAYLA1REC326SWA2XCLK425S3A3RECLEDC1524PLAYERECA4PLAYE220uf623PLAYLC3SW5.1KA5PLAYLR126220.1ufNCNC721NCANA OUT920470A6ANA INR131019A7AGC1118NCMIC REF+51217C64.7ufR10VSSDMIC131610KVSSAVCCAC41415R11SP+SP-C510KISD14200.1uf1LS20.1ufLS12MICC20.1uf SPEAKER+5 图2-7 报警电路图 3.2总体电路设计 本着简单、实用的原则，这里最后选用了一个比较典型的硬件方案: 1.测温电路选用DS18B20集成数组测温电路; 2.功率控制电路选用MOC3043和可控硅的功率控制电路; 3.控制芯片采用常见的AT89S52; 4.显示方式采用162字符液晶显示器1602; ， 5.键盘采用4独立按键; 四 软件设计与实现 4. PID控制算法 4.1.1 PID控制的发展 PID控制是最早发展起来的控制策略之一，现今使用的PID控制产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法具有结构简单、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节。可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师 们已经积了大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制在工业控制中仍然得到广泛应用。 4.1.2 PID控制理论 PID控制是一种很实用的控制方法，它根据给定值厂r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t): (2.1) etrtyt()()(),, 将偏差et()的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。 PID控制各校正环节的作用如下: 1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号et()，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差; 2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强; T1 3)微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 4.1.3 PID控制算法 由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，(2.2)式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。现令为采样周期，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以累加求和近似TkTt 代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近似变换: (2.4) tkT, kktetTejTTej()()(),, (2.5) ,,,0,,00jj ekTekT()1,,，，，，detekek()()(1),,，，,, (2.6) dtTT 其中，为采样周期，ek()为系统第次采样时刻的偏差值，e()为系统第Tkk,1 ()次采样时刻的偏差值，为采样序号，=0，1，2，… kkk,1 将上面的(2.5)式和(2.6)式代入(2.2)式，则可以得到离散的PID表达式: k,,TTD (2.7) ()()()()(1)ukKekejekek,，，,,,,,,,PTT,0j1,, 如果采样周期足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程T 与连续控制过程十分接近。通常把式(2.7)称为PID的位置式控制算法。 若在(2.7)式中，令: KTP (称为积分系数) K,1T1 KTPD (称为微分系数) K,DT k ukKekKejKekek()()()()(1),，，,, 则 (2.8) ,,,1PD,0j 式(2.8)即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算，不仅涉及和，且须将uk()ek()ek(1),历次相加，计算复杂。下面要推导计算较为简单的递推算式，为此对(2.8)ej() 式做如下的变动，考虑到第次采样时有 (1)k, k,1,,TTD (2.9) (1)(1)()(1)(2)ukKekejekek,,,，，,,,,,,,,PTTj,01,, 使(2.8)式两边对应减去(2.9)式，得 ,,TTD ()(1)()(1)()()2(1)(2)ukukKekekekekekek,,,,,，，,,，,,,,,PTT1,, 整理后得 ,,TTD()(1)()(1)()()2(1)(2)ukukKekekekekekek,,，,,，，,,，,,,,,PTT1,, 2TTTTDDD (1)(1)()(1)(1)(2),,，，，,，,，,ukKekKekKekPPPTTTT1 (1)()(1)(2),,，,,，,ukaekaekaek012 (2.10) 2TTTTDDD其中，，，，(2.10)式就是PIDaK,，(1)aK,(1)aK,，，12PP0PTTTT1 位置式得递推形式。 如果令 则 式中,,,,，,ukaekaekaek()()(1)(2),,,,ukukuk()()(1)012 的、、同(2.10)式中的一样。 aaa012 在计算机控制中，、、都可以事先求出，实际控制时只须获得、ek()aaa012 、三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应ek(1),ek(2), 执行机构的位置的增量，故(2.11)式通常被称为PID控制的增量式算式。 增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点: 1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值 ej()，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，算式中不需 要, 累加，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响小，容易通过加权处理获得较好的控制效果; 2)由于计算机只输出控制增量，所以误差影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利; 3)容易实现手动一自动无扰动切换。 入口 输入并采样r(k),y(k) 计算偏差e(k)=r(k) — y(k) 计算 ,,,,，,ukaekaekaek()()(1)(2)012 存Δuk()以备输出 参数序号调整 e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1) 返回 图 5 增量式PID控制算法程序流程图 所以鉴于以上优点，本系统的控制算法即采用增量式的PID控制算法。