摘 要:溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,但目前的溫度控制系統(tǒng)很多不能達(dá)到很好的效果。單片機(jī)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、使用靈活,可以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的控制;而PID算法實(shí)現(xiàn)一種模糊控制,可調(diào)試性強(qiáng);以89C52單片機(jī)為控制核心的PID溫度控制能使系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性。通過(guò)原理分析、軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,表明該溫度系統(tǒng)非常穩(wěn)定并且精確,可廣泛地應(yīng)用于各類溫控場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞:PID算法;溫度控制;89C52單片機(jī);參數(shù)整定

中圖分類號(hào):TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-216-03

Temperature Control System Based on PID and 89C52

ZHANG Yanyan

(Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology,Bengbu,233000,China)

Abstract:The temperature control system is used widly in industry.But now the temperature control system is imperfect in industry.The system based on single chip computer has powerful function and easy to use,it can realize accurate control.PID-algorithm can realize fuzzy control.The system basd on PID-algorithm can be tested again and again.So the temperatuer system based on PID control and 89C52 single chip computer is very precise and steady.The theory,design and experiments show that the system can be used widely.

Keywords:PID-algorithm; temperature control;89C52SCM;parameter tuning

0 引 言

溫控技術(shù)無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn),還是日常生活中都起著非常重要的作用。在冶金、石油、化工、電力和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等行業(yè),溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一,在普通家庭里熱水器、電飯煲、電烤箱等依賴于溫控技術(shù)的家電設(shè)備也是必不可少?？梢哉f(shuō)溫度控制技術(shù)無(wú)處不在。

常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點(diǎn),超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào)控:低于設(shè)定值就加熱,反之就停止或降溫。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低,但控制效果不理想,控制溫度精度不高、容易引起震蕩,達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間也長(zhǎng),因此,只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。而采用PID算法進(jìn)行溫度控制[6],它具有控制精度高,能夠克服容量滯后的特點(diǎn),特別適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。

單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分,在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制,保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài),提高系統(tǒng)的控制精度,有利于提高系統(tǒng)的工作效率[7]。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)編程[8]實(shí)現(xiàn)PID算法進(jìn)行溫度控制。

1 PID控制的原理和特點(diǎn)[9]

在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型,控制理論的其他技術(shù)也難以采用,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定時(shí),應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

PID控制器的參數(shù)整定[9]是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法概括起來(lái)有兩大類:一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。

PID一般算式及模擬控制規(guī)律如式(1)所示:

u(t)=KCe(t)+1TI∫t0e(t)dt+TDde(t)dt

(1)

式中:u(t)為控制器的輸出;e(t)為偏差,即設(shè)定值與反饋值之差;KC為控制器的放大系數(shù),即比例增益;TI為控制器的積分常數(shù);TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)KC,TI,TD三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,必須首先對(duì)式(1)進(jìn)行離散化處理,用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程,此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示:

de(t)dt霦(K)-E(K-1)Δt=E(K)-E(K-1)T

(2)

∫n0e(t)dt=∑nj=0E(j)Δt=T∑nj=0E(j)

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1),則可得到離散的PID表達(dá)式:

P(K)=KP{E(K)+TTI∑kj=0E(j)+

TDT[E(K)-E(K-1)]}

(4)

式中:Δt=T為采樣周期,必須使T足夠小,才能保證系統(tǒng)有一定的精度(采樣定理);E(K)為第K次采樣時(shí)的偏差值;E(K-1)為第K-1次采樣時(shí)的偏差值;P(K)為第K次采樣是調(diào)節(jié)器的輸出。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)由傳感器A/D采樣輸入、單片機(jī)控制、人機(jī)交互、控制信號(hào)輸出四部分組成,其中溫度傳感部分由測(cè)試采樣電路實(shí)現(xiàn),人機(jī)交互由矩陣鍵盤(pán)和LCD液晶屏[7]構(gòu)成,PID控制算法由89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn),控制信號(hào)輸出部分則由功率放大和開(kāi)關(guān)控制電路組成[8]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)框圖

3 主程序流程

軟件程序是本控制系統(tǒng)的核心,它包括從溫度采樣到信號(hào)輸出的整個(gè)流程控制,其示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

程序功能主要由以下的幾部分組成:

(1) 初始化:設(shè)定各參數(shù)的初始值,設(shè)定各中斷及定時(shí)器。

(2) 接收/發(fā)射:此部分程序主要完成數(shù)據(jù)的控制及顯示,主要通過(guò)89C52單片機(jī)的全雙工串行口完成和鍵盤(pán)部分的雙向通信。

(3) PC機(jī)通信:此部分完成與微機(jī)控制接口RS 232的連接及通信的控制。

(4) 數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序:由于主程序中用到了很多的數(shù)值轉(zhuǎn)換及數(shù)值的運(yùn)算(如十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制、雙字節(jié)與單字節(jié)的除法運(yùn)算等),為了程序調(diào)用的方便,特將其編寫(xiě)成子程序的形式。

(5) PID算法。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定度需要通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試完成[10]。

現(xiàn)用1 kW的電爐將電熱杯中的1 L清水進(jìn)行加熱。

觀測(cè)設(shè)定值和實(shí)測(cè)值之間的誤差(當(dāng)水溫達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的值),計(jì)算絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差,見(jiàn)表1。

表1 誤差分析表

序號(hào)設(shè)定溫度 /℃實(shí)測(cè)溫度 /℃絕對(duì)誤差 /℃相對(duì)誤差 /%

135.335.300

240.240.1-0.10.24

345.045.30.30.66

460.060.50.50.83

574.073.4-0.40.60

681.081.20.20.25

設(shè)定溫度為50 ℃,每隔30 s記錄實(shí)測(cè)溫度,如表2所示。

表2 溫度穩(wěn)定度關(guān)系表(設(shè)定溫度50 ℃)

測(cè)量時(shí)間 /min實(shí)測(cè)溫度 /℃測(cè)量時(shí)間 /min實(shí)測(cè)溫度 /℃

0.535.54.051.1

1.037.04.550.6

1.540.35.049.8

2.043.55.550.5

2.548.16.050.2

3.550.36.550.1

從表2中的數(shù)據(jù)可知,系統(tǒng)運(yùn)行5 min時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在±0.3 ℃,可見(jiàn)系統(tǒng)的精度很好。此外,系統(tǒng)運(yùn)行5 min時(shí)溫度基本達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)定所需時(shí)間較短?？梢钥闯?基于PID算法的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性,在溫度調(diào)節(jié)階段平衡溫度時(shí)間較短。因此本系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種對(duì)精度要求較高的溫度控制場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍,李建偉,李慧琴.基于模糊PID的通用中檔單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007(15):3 934-3 937.

[2]劉文慰,葛鎖良.AT89C2051在自適應(yīng)模糊PID溫度控制器中的應(yīng)用[J].電子工程師,2004,30(1):20-23.

[3]邢矯健.增強(qiáng)型的STC89C51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介[J].無(wú)線電,2006(10):43-44.

[4]李俊婷,石文蘭,高楠.參數(shù)自整定模糊PID在溫度控制中的應(yīng)用[J].無(wú)線電工程,2007(7):47-50.

[5]潘笑,高玉玲,康亞娜.基于模糊PID的AT89C2051單片機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)[J].兵工自動(dòng)化,2006(5):65-67.

[6]張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[7]張德友,趙志英,涂時(shí)亮.單片微型機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)踐[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2003.

[8]吳金.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[9]曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006.

[10]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品精選[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003.

作者簡(jiǎn)介 張艷艷 女,1976年出生,安徽蚌埠人,碩士,講師。從事應(yīng)用電子方面的教學(xué)與研究工作。