北京交通大学水温炉温控制pid系统课程设计.doc

基于单片机的PID温度控制系统 一 .概述 温度控制技术无论在工业生产，还是日常生活中都起着非常重要的作用。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围就进行温度调控，低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单，成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高，容易引起震荡，达到稳定点的时间也长。因此，只能用于精度要求不高的场合。 采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于负荷变化大，控制品质要求高的系统。 单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳的状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。本系统就是采用单片机编程实现PID算法进行温度控制。 二 . PID控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。??? PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。??? PID一般算式及模拟控制规律如式(1)所示：??? ??? 式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差；KC为控制器的放大系数，即比例增益；TI为控制器的积分常数；TD为控制器的微分时间常数。PID算法的原理即调节KC，TI，TD三个参数使系统达到稳定。??? 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机控制系统中，必须首先对式(1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：??? ??? 将式(2)和式(3)代入式(1)，则可得到离散的PID表达式：??? ??? 式中：△t=T为采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度(采样定理)；E(K)为第K次采样时的偏差值；E(K-1)为第K-1次采样时的偏差值；P(K)为第K次采样是调节器的输出。 三 硬件构成 本系统由传感器采样输入、单片机控制、人机交互、控制信号输出四部分组成，其中温度传感部分由测试采样电路实现，人机交互由矩阵键盘和LCD液晶屏构成，PID控制算法由89C51单片机实现，控制信号输出部分则由功率放大和开关控制电路组成。系统框图如图1所示。 四．主程序流程 软件程序是本控制系统的核心，它包括从温度采样到信号输出的整个流程控制，其示意图如下图所示： 五 程序部分 实现这个系统的控制的程序部分主要由复位子程序，LCD显示子程序，温度输入子程序，PID控制子程序等组成。具体如下： #includereg52.h #includeintrins.h #includemath.h #includestring.h struct PID { unsigned int SetPoint; // 设定目标 Desired Value unsigned int Proportion; // 比例常数 Proportional Const unsigned int Integral; // 积分常数 Integral Const unsigned int Derivative; // 微分常数 Derivative Const unsigned int LastError; // Error[-1] unsigned int PrevError; // Error[-2] unsigned int SumError; // Sums of Errors }; struct PID spid; // PID Control Structure unsigned int rout ; // PIDponse (Output) unsigned int rin; // PID Feedback (Input) sbit data1=P1^0; sbit clk=P1