基于AT89C51单片机的PID温度控制系统设计.docVIP

集美大学诚毅学院 控制系统综合设计 专业班级??姓?名???学?号姓?名???学?号指导教师?日?期??进入21世纪后，正朝着高精度、多功能、标准化、高可靠性及安全性开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度已成为工业对象控制中一种重要的参数直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等，PID控制，，神经网络及遗传算法控制等[1]。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。 仿真技术的优良特性和巨大效益，可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。仿真系统将应用于人类生产实践的全过程，这样可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。有关专家预言，在2l世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产生巨大影响。MATLAB具有以下几个特点： 功能强大的数值运算功能 强大的图形处理能力 高级但简单的程序环境 丰富的工具箱 图3温度变送器实物图 温度变送器设计完成后，对各电位器进行调节，使得传感器输入为0~100℃，输出为0~5V。对水壶的水温进行测量，将得到的温度及对应的电压值用Excel进行绘图并拟合。 温度（℃） 12 20 30 40 50 60 70 80 90 100 电压（V） 1.09 1.74 2.23 2.83 3.42 3.83 4.26 4.75 5.14 5.38 表1 温度与采集电压数据表 图4 温度与采集电压曲线图 拟合公式为：y=0.0488x+0.7746 (1) 其中y表示水温，x表示输出电压。经过调试后，基本上能够满足线性要求。 4.2、功率可调模块 功率可调模块选用EUV-10A-，该模块采用单片机设计，可实现软启动、软停车功能，广泛应用于交直流电机调速，单相220VAC、380VAC变压器初级原边调压、电磁铁振动、调光、焊机、电镀等功率调节场合。 技术参数 工作电压 220VAC、380VAC 有效值电流 10A 偏置电压Vb 12VDC 偏置电流 ≤30mADC max 输入控制信号 1-5VDC或4-20mA或10k电位器 输出电压变化范围 0-220VDC、0-380VAC 引出端与底板间、输入与输出电路间介质耐压 2500VAC min/50Hz 功率调控模块EUV-10A-的接线方式如下图2所示。左图为触发电路的接线图，右图为交流电的输入和输出的连接图。 图5 功率模块的接法 4.3、被控对象 本设计使用电热水壶为被控对象，该对象具有大滞后、非线性、时变性等特点，通过单闭环控制方式，实现对水壶温度的恒温控制。若想使系统控制更加完善可加入Smith预估等控制算法，在此不作介绍。 4.4、单片机实验系统 单片机系统采用STAR ES598PIC实验箱以及星研集成开发软件。包括A/D、D/A、串口通信等一系列模块。 图6 系统连接实物图 控制器设计 5.1、PID控制器的设计 PID控制器广泛的应用于各种工业控制。 其主要的优点在于：原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性好；对模型依赖少。它是将给定值与实际输入值进行偏差计算得到e(t),然后进行比例、积分、微分计算，通过线性组合构成控制器，实现对被控对象的控制。对于增量型的PID控制规律为： Uk=kp*ek+ki*∑ek+kd*(ek-ek-1) (2) Uk为PID控制的输出信号 5.2、PID控制器流程图  对PID的三个比例系数赋初始值，然后将采集的信号与给定值进行比较，得到偏差量，代入控制规律（2）式，求得控制信号。  图8 Bang-Bang PID算法流程图 算法流程详解： ek、ek-1、ei初始值都为0，当A/D转化的数值与给定的80的偏差大于10时，uk=255，控制电压为5V,即最大电压进行加热。当温度介于70和80之间时，进入Bang-Bang PID控制。由于算法计算出来的控制量可能大于D/A转化的范围，所以当uk25