基于PID算法的炉温控制系统.doc

电气工程与自动化学院 项目驱动实践报告 （自动控制原理项目实践） 题 目：基于PID算法炉温控制系统 专业班级：自动化 学 号： 学生姓名： 指导老师： 2012年12月27日 摘 要 在控制系统中，温度控制占有至关重要的作用，其控制算法和手段有很多，模拟PID控制是最早发展起来的控制策略之一，长期以来形成了典型的结构，并且参数整定方便，能够满足一般控制的要求，但由于在模拟PID控制系统中，参数一旦整定好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而在实际中，由于现场的系统参数、温度等条件发生变化，使系统很难达到最佳的控制效果，因此采用模拟PID控制器难以获得满意的控制效果。随着计算机技术与智能控制理论的发展，数字PID技术渐渐发展起来，它不仅能够实现模拟PID所完成的控制任务，而且具备控制算法灵活、可靠性高等优点，应用面越来越广。 为了实现高精度的电炉温度控制，本文介绍了一种基于LPC1114为控制核心、三极管S8050为温度测量原件、以数字PID算法控制以及PID参数整定相结合的控制方法来实现的电炉温度控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、控制算法建模的确定、各部份电路及软件的设计。LPC1114完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统的特点：电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等。该电炉温度控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从电炉温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现电炉温度控制的全过程。本设计实现了电炉温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。设计采样使用的是LPC1114特有的AD采样功能，显示模块以TinyHMI为核心的数字显示及上位机的波形显示，通过控制晶闸管BT131控制电炉加热，电炉为对象的控制。在MATLAB里仿真建模，实现良好的PID控制。 关键词：数字PID；LPC1114；电炉温度；AD采样；上位机；MATLAB 目 录 摘 要 1 目 录 I 第一章 绪论 1 1.1课题背景及研究意义 1 1.2国内外在该方向研究现状与分析 2 1.3课题概述 2 1.4设计要求与技术指标 2 1.5基本功能及扩展要求 3 1.6章节安排 3 第二章 系统设计原理及方案比较 4 2.1整体设计思路 4 2.2方案比较 4 2.2.1主控MCU方案 4 2.2.2温度控制算法方案 5 2.2.3人机界面方案 7 2.2.4温度测量方案 7 2.4系统PID建模原理 9 2.5上位机原理 12 2.6本章小结 14 第三章 硬件设计 15 3.1硬件总体设计及框图 15 3.2 Cortex-M0简介及电路 15 3.3外部电路设计 17 3.3.1键盘和显示电路设计 18 3.3.2测温电路设计 19 3.2.3电炉控制电路设计 19 3.4电源设计 20 3.5 A/D转换 21 3.6本章小结 22 第四章 开发软件简介及软件设计 23 4.1硬件开发软件介绍 23 4.1.1 Altium Designer 09 23 4.1.2 PCB的绘制过程 23 4.2编程环境介绍 24 4.2.1系统程序设计环境介绍 24 4.2.2上位机编程环境介绍 25 4.3仿真软件MATLAB介绍 25 4.4软件总体框图 27 4.5本章小结 28 第五章 系统实现 29 5.1硬件实现 29 5.1.1系统PCB板设计 29 5.1.2系统硬件调试 29 5.2软件实现 29 5.2.1上位机实现 29 5.2.2系统程序实现 30 5.3 系统PID建模 34 5.4系统MATLAB仿真 37 5.5联机调试 38 5.6实现效果 39 5.6.1显示界面设计实现效果 39 5.6.2上位机界面设计实现效果 39 5.5.3总体实现效果 40 5.7本章小结 41 第六章 总结与展望 42 6.1本课题工作总结 42 6.2工作展望 42 致谢 43 参考文献 44 附录 I 第一章 绪论 1.1课题背景及研究意义 自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能