基于PID控制算法的温度控制系统的设计与仿真

辽宁科技大学本科生毕业设计第I页摘要本设计是一种温度控制系统，温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等具有重要的现实意义。PID控制法最为常见，控制输出采用PWM波触发可控硅来控制加热通断。使系统具有较高的测量精度和控制精度。单片机控制部分采用AT89S51单片机为核心，采用Keil软件进行编程，同时采用分块的模式，对整个系统的硬件设计进行分析，分别给出了系统的总体框图、温度检测调理电路、A/D转换接口电路，按键输入电路以及显示电路，并对相应电路进行相关的阐述软件采用PID算法进行了建模和编程，在Proteus环境中进行了仿真。关键词：PID;单片机；温度控制；Keil；Proteus辽宁科技大学本科生毕业设计第II页AbstractThisdesignisakindoftemperaturecontrolsystem,Thetemperaturecontrolinindustrialproductionandscientificresearchisofgreatsignificance.Belongstopurefirst-orderlaglink,thecontrolsystemhasthecharacteristicsofbiginertia,purelagandnonlinear,thetraditionalcontrolovershootandadjustmenttimeislong,lowcontrolprecision.Bysinglechipmicrocomputertemperaturecontrol,hassimplecircuitdesign,highaccuracyandgoodcontroleffect,toimprovetheproductionefficiency,promotetheprogressofscienceandtechnologyhasimportantpracticalsignificance.PIDcontrolisthemostcommon,thecontroloutputPWMwavetriggeringthyristorisusedtocontroltheheatingonandoff.Makethesystemhashighaccuracyofmeasurementandcontrolprecision.Single-chipmicrocomputercontrolpartadoptssinglechipmicrocomputerAT89S51asthecore,UsingKeilsoftwareprogramming,Usingblockpatternatthesametime,analyzesthehardwaredesignofthewholesystem,respectively,oftheoverallsystemblockdiagramisgiven,thetemperaturedetectioncircuit,A/Dconversioninterfacecircuit,keyinputcircuitanddisplaycircuit,andthecorrespondingcircuitarerelatedinthispaper,thesoftware,thePIDalgorithmisusedformodelingandprogrammingintheProteussimulationenvironment.Keywords:PID；Singlechipmicrocomputer；Thetemperaturecontrol；Keil；Proteus辽宁科技大学本科生毕业设计第III页目录1绪论.........................................................12设计方案.....................................................23系统硬件仿真电路.............................................33.1温度测量调理电路..................................................33.2A/D转换电路.......................................................43.3按键输入电路......................................................53.4数码管显示电路....................................................63.5温度控制电路......................................................74程序设计.....................................................94.1程序整体设计......................................................94.2子程序设计.....................................................11114.3源程序设计...............................................................1195软件调试与运行结果..........................................41结论..........................................................42致谢..........................................................43参考文献......................................................44辽宁科技大学本科生毕业设计第1页1绪论现代工业生产过程中，用于热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。采用单片机来对温度进行控制不仅具有控制方便、简单灵活性等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好的多。微机控制系统的快速计算、灵活多样的逻辑判断和高效的信息加工能力使自动控制进入了更高一级的领域，提高了生产过程的自动化程度，减少了人工干预，并不断地完善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。微机控制系统由于具有成本低、体积小、功耗小、可靠性高和使用灵活等特点，因而广泛的应用于工农业生产、交通运输、国防建设和空间技术等各个领域。其控制对象已从单一的工厂流程扩展到企业生产过程的管理和控制。随着微机和单片机的推广使用，实现信息自动化与过程控制相结合的分级分布式计算机控制，使计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段。现在，许多常规的控制仪表和调节器已经为计算机所取代。计算机不断地监视整个生产过程，对生产中的各个参数进行采样，迅速进行复杂的数据处理，打印和显示工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。辽宁科技大学本科生毕业设计第2页2设计方案在温度测量控制系统中，实际温度值由PT100恒流工作调理电路进行测量。为了克服PT100线性度不好的缺点，在信号调理电路中加入负反馈非线性校正网络；调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89S51；对采样数据进行滤波及标定处理后，由3位7段数码管显示。输入的设定值由4位独立按键电路进行设定，可分别对设定值的十位和个位进行加1、减1操作。设定值送入单片机后，由另外一组3位7段数码管显示。数码管的段码由74HC05驱动，位码由三极管2N2222A驱动。为了使两组数码管实时显示，对两组数码管进行动态扫描。整体的电路原理框图如图1-1所示。图1-1整体电路原理框图系统采用PID闭环控制方案。如图1-2所示，将预置初值与温度传感器反馈信号比较得到偏差(e)进行PID运算处理得到控制量(u)，通过此量来控制加热器的加热时间，从而控制加热功率。由于水本身具有很大的热惯性，所以必须对水温的变化趋势作出预测，并且根据需要及时反方向抑制，以防止出现较大的超调量的波动。在PID控制中，积分环节（I）具有很强的滞后效应，而微分环节（D）具有预见性，所以该方案最终采用PD算法，能够很好的控制超调，并且稳态误差也很小。图1-2系统控制方案辽宁科技大学本科生毕业设计第3页3系统硬件仿真电路3.1温度测量调理电路图3-1温度测量调理电路本系统采用恒流工作调理电路，铂电阻选用标称值为100Ω的PT100作为温度传感器。A1、A2、A3采用低漂移运放OP07C，由于有电流经PT100传感器，所以当温度为0℃时，在PT100传感器上有电压降，这个电压为PT100传感器的偏置电压，是运放A1输出电压的一部分，使恒流工作调理电路的输出实际不为零。所以需要对这个偏置电压调零，R3为调零电阻，其作用为当温度为0℃时，将恒流工作调理电路的输出调到零。又因为PT100的电阻特性为非线性，PT100在0到100℃变化范围内非线性误差为0.4%（0.4℃），由于本系统无小数显示，0.4℃的误差本身不会对A/D量化和数码管显示造成影响，但由于软件编制中，对标度变化程序中的变换系数做了近似处理，使得非线性误差接近0.79%（0.79℃），就有可能对A/D量化和数码管显示造成影响，所以加进了线性化电路，运放A3及电阻R1、R4和R6一同构成了负反馈非线性校正网络。R5辽宁科技大学本科生毕业设计第4页用于调整运放A2的增益。电路的调整方法如下（用普通电阻代替PT100进行调整）:（1）接入相当于0℃的100Ω的电阻，用于R3调零。（2）接入相当于50℃的119.70Ω的电阻，用于R5调整增益。（3）接入相当于100℃的139.10Ω的电阻，用于R1或R4调整线性。反复调整多次，在0到100℃温度范围内适宜为止。以温度值为横坐标，电压值为纵坐标，由表3-1分析非线性误差可知：在50℃时，存在最大偏差为0.005℃，故非线性校正后非线性误差变为0.1%（0.1℃），A/D量化及数码管显示不会产生误操作。表3-1显示对照表理想温度值0102030405060708090100对应电阻值100103.9107.9111.8115.7119.7123.9127.4131.3135.2139.1实际输出电压0.0020.5021.0041.5022.0042.5053.0013.5024.0014.4984.996显示温度值0102030405060708090100注释1;温度单位/℃；电阻值单位/Ω；电压单位/V。3.2A/D转换电路本系统采用5V的电压源，用PT100电阻传感器组成的信号调理电路作为信号的输入装置，当PT100传感器置于温度场时，调理电路将根据PT100的阻值输出相应的电压值。将该输出电压送到ADC0808的模拟量输入通道IN0，经ADC0808进行模数转换