基于PID算法的电烤箱控制系统.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：基于基于pidpid算法的烤箱温度控制系统设计算法的烤箱温度控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化093093 学学 号：号： 090302084090302084 学生姓名：学生姓名： 宋进帅宋进帅 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2012.12.192012.12.192012.12.282012.12.28 本科生课程设计（论文） i 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号090302084学生姓名宋进帅专业班级自动化093 课程题 目 基于pid算法的烤箱温度控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 采用单片机作为控制器，由 pt100 测量温度，与设定温度进行比较，经过 pid 运算 后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度 值，用三位 led 灯显示。被控对象为，仿真研究时用近似。 s e st k 1 0 0 15 . 0 2 1 1 ss 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路和报 警电路； 2、建立被控对象的数学模型； 3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单； 4、仿真研究，验证设计结果； 5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 温度控制范围：室温+20260 误差小于：5% 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1 天） 2、被控对象建模（1 天） 3、算法推导，程序设计（3 天） 4、仿真研究（2 天） 5、撰写、打印设计说明书（2 天） 6、答辩（1 天） 指导教师评语及成绩 平时:_ 论文质量：_ 答辩:_ 总成绩：_ 指导教师签字：_ 年 月 日 本科生课程设计（论文） ii 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 随着社会的不断发展，人们改造自然的能力也在不断的提高。机器的诞生， 为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。电子技术的诞生更是带来了 翻天覆地的变化。机电控制系统成为机械技术与微电子技术集成的共性关键技术。 人们通过它可以使机械完全按照自己的意愿来执行。 本设计采用单片机控制。单片机在日常生活中的运用越来越广泛。温度控制 在工业生产中经常遇到。从石油化工到电力生产，从冶金到建材，从食品到机械 都要对温度进行控制.甚至在有些产品生产过程中温度的控制直接影响到产品的 质量。单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。 本文介绍了以 at89c51 单片机为核心的电烤箱温度控制系统。电烤箱的温度控制 系统有两个部分组成：硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括：单片机电路、 传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路。软件部分包括： 主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。文章最后对本设计进行了 总结。对温度控制系统的发展提出了几点建议。 关键词：at89c51； 温度传感器； 单片机； 本科生课程设计（论文） iii 目 录 摘 要 第 1 章 绪论 1 第 2 章 烤箱温度控制的设计方案 .2 2.1 概述2 2.2 设计的要求 .2 2.3 烤箱总体设计方案 2 第 3 章 烤箱温度控制系统各硬件的选择 4 3.1 控制器的选择4 3.2 温度检测器的选用 5 3.3 a/d 转换电路.6 3.4 输出通道设计7 3.5 键盘电路设计 8 3.6 三位 led 显示电路设计 9 3.7 报警电路设计10 第 4 章 pid 控制系统设计11 4.1 pid 控制特点.11 4.1.1 比例（p）控制 11 4.1.2 积分（i）控制11 4.1.3 微分（d）控制11 4.2 pid 烤箱温度控制系统流程图 .12 4.3 推导控制算法13 第 5 章 课程设计总结 .16 参考文献 17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动 的控制要求亦越来越高。机电控制实现了以电气来控制机械。单片机的出现使机 电控制技术突飞猛进。 单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。自 1975 年美国德克斯仪器公司首 次推出 8 位单片机 tms-1000 后才开始快速发展。1976 年 9 月，美国 intel 公司 首次推出 mcs-48 系列 8 位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段。1983 年 intel 公司推出的 mcs-96 系列、1987 年 intel 公司又推出的 80c96 等位 16 位 单片机。近年来各个计算机生产厂家已进入更高性能的 32 位单片机研制、生产 阶段。单片机发展之快、品种之多。其中最常用的主要有：at89 系列单片机、 avr 单片机 motorola 公司的 m68hc08 系列单片机以及 pic 单片机。随着社会的发 展，单片机的特点体现在体积小、可靠性高、使用方便等方面。 根据温度控制的特点，本次设计采用 at89c51 单片机为控制核心，采用数字 pid 控制算法。实现对电烤箱的温度的控制。通过本次设计进一步详细说明单片 机控制系统在社会生活中的应用。为以后进一步应用单片机系统提供帮助。 温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制 效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值 的。根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温 度控制为模型，设计了以 at89c51 单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度 控制采用 pid 数字控制算法，显示采用 3 位 led 静态显示。该设计结构简单，控 制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 烤箱温度控制的设计方案 2.1 概述 温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制 效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值 的。根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温 度控制为模型，设计了以 at89c51 单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度 控制采用 pid 数字控制算法，显示采用 3 位 led 静态显示。该设计结构简单，控 制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。 2.2 设计的要求 采用单片机作为控制器，由 pt100 测量温度，与设定温度进行比较，经过 pid 运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时 显示当前温度值，用三位 led 灯显示。 2.3 烤箱总体设计方案 产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。 就温度控制系统的动态的特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统 精度及温控的线性性能要求较高时，多采用 pid 算法来实现温度的控制。 本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度 的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控 制方式，当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通 电炉开始加热，从而保持恒温的控制。 本科生课程设计（论文） 3 电烤箱总体设计方案结构图，如图 2.1 所示。 da 转换模块 89c51温度设定 值 显示报警 ad 转换模块 温度控制加热器传感器 图 2.1 电烤箱总体设计方案结构图 电烤箱温度控制实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机， 然后单片机将给定的温度值和反馈回来的温度值进行比较并且经过运算处理后， 传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止 加热。即电烤箱温度控制得到实现，其中单片机的为加热炉控制系统的核心部分 起着重要作用。 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 烤箱温度控制系统各硬件的选择 3.1 控制器的选择 随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活 中达到广泛应用。根据温度控制特点，本次设计采用 at89c51。 at89c51 单片机是美国 intel 公司的 8 位高档单片机的系列。也是目前应用 最为广泛的一种单片机系列。 图 3.1 at89c51 实物图 本科生课程设计（论文） 5 3.2 温度检测器的选用 pt100 是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。 pt100 的阻值与温度变化 关系为：当 pt100 温度为 0时它的阻值为 100 欧姆，在 100时它的阻值 约为 138.5 欧姆。它的工业原理：当 pt100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。由于pt100 热电阻的 温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了pt100 热电 阻温度传感器 。它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。温度的采集范围可 以在-200+200，湿度采集范围是 0%100%。 图 3.2 温度检测器实物图 本科生课程设计（论文） 6 3.3 a/d 转换电路 adc0809 是一个典型的逐次逼近型 8 位 a/d 转换器。它由 8 路模拟开关、 8 位 a/d 转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许 8 路模拟量 分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出） ，可以直接与单片机数 据总线连接。adc0809 采用+5v 电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为 500khz 时，转换时间约为 128us。 图 3.3 ad 转换器接口电路 本科生课程设计（论文） 7 3.4 输出通道设计 输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路组成。 在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影 响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必 须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件 之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。 此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此， 能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有 可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器 moc3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。moc3061 是一片把 过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是 400v， 最大重复浪涌电流为 1.2a，最大电压上升率 dv/dt 为 1000v/us，输入输出隔离电 压为 7500v，输入控制电流为 15ma。 图 3.4 光耦驱动电路 本科生课程设计（论文） 8 3.5 键盘电路设计 如图 3.1 所示，16 个按键排列成 4 行 4 列，4 个行的引线分别同 p1 口的 p1.4p1.7 相联接，4 个列的引线通过一个上拉电阻分别联接到 p1.0p1.3 口。 其中上拉电阻的值：r=4.7v/1.6ma=3k。 在键盘操作过程中若四个按键同时按下时，则需要的上拉电阻值为 12k， 故此上拉电阻取值为 10k。 工作原理：从 0 列开始，顺序行扫描，即该行输出为 0。每扫描一行，读入 列线数据，从 0 开始，列检查，找该行输出为 0 的列，若无，则顺序扫描下一行， 并检查其各列；若找到某列线为 0，则该列与检查行交叉的按键为被按下的键。 从 0 行 0 列开始，顺序将按键编号，就可以按扫描的值得到按键的值。本电路中 从 p1.3p1.0 顺序输出 0，再检查 p1.7p1.4。此键盘的实现要用软件的方法识键 和译键。 图3.5 键盘电路设计 12345678 a b c d 87654321 d c b a 0 protel international p/l l3, 12a r odborough rd frenchs f orest nsw australia 208604-aug-2004 10:21:48 f:料料 protel99seall.ddb - documents料料 .sch title size:number: date: file: revision: sheetoftime: a2 s1 sw-pb s2 sw-pb s5 sw-pb s6 sw-pb s7 sw-pb s8 sw-pb s9 sw-pb s10 sw-pb s11 sw-pb s12 sw-pb s13 sw-pb s14 sw-pb s15 sw-pb s16 sw-pb s3 sw-pb s4 sw-pb r1 10k r2 10k r3 10k r3 10k +5 p1.3p1.2p1.1p1.0 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 本科生课程设计（论文） 9 3.6 三位 led 显示电路设计 如图所示，采用 p2 口输出到 cd4511 和 74ls138 两块芯片上。其中 cd4511 连到 p2 口的 03 口；74ls138 连到 p2 口的 46 口上。 74ls138 为 3-8 译码器，用于控制 8 个共阴数码管的发光与熄灭。它的作 用是将 p2.4p2.6 三个口的输出轮流点亮共阴数码管，频率大于 24 帧，因此人 眼看出来的是八个共阴管同时亮。 cd4511 将 p2.0p2.3 口的数据译成共阴管的 显示数据。 图 3.6 三位 led 显示电路结构图 lt bi le 13 12 11 10 15 14 u301 4511 r301 150 r302 150 r303 150 r304 150 r305 150 r306 150 r307 150 dp 10 g dp d301 led dp 10 g dp d302 led dp 10 g dp d303 led e1 e2 e3 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 y7 u302 74ls138 q301 pnp q302 pnp q303 pnp vcc vcc p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 本科生课程设计（论文） 10 3.7 报警电路设计 本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压 电式蜂鸣器，然后通过at89c52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂 鸣器约需10ma的驱动电流，可以使用ttl系列集成电路7406或7407低电平驱动， 也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，p3.0接晶体管基极输入端。当p3.0输出 高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5v电压而鸣叫；当p3.0输 出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。 图 3.7 报警电路 3.3k 5.6k npn speaker vcc p3.0 本科生课程设计（论文） 11 第 4 章 pid 控制系统设计 4.1 pid 控制特点 pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用 比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 4.1.1 比例（p）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成 比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（steady-state error）。 4.1.2 积分（i）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一 个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态 误差的或简称有差系统（system with steady-state error）。为了消除稳态误差， 在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增 加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大， 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积 分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 4.1.3 微分（d）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率） 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差 的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器 中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需 要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。 本科生课程设计（论文） 12 4.2 pid 烤箱温度控制系统流程图 关断 主程序 初始化 开中断 调用显示与延迟子程序 位计数+1 位计数=3? 温度检测完成？ 位计数清零 读温度 高于设定值 2 度 低于设定值 2 度 关断 图 4.1 烤箱温度控制程序流程图 本科生课程设计（论文） 13 4.3 推导控制算法 图 4.2 模拟 pid 控制图 1、pid 控制规律的离散化 pid 控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值 r 与 实际输出值 y 构成的控制偏差的比例（p） 、积分（i） 、微分（d） ，通过yrc 线性组合构成控制量，所以简称 pid 控制器。 连续控制系统中的模拟 pid 控制 规律为： )( )( 1 )()( 0 dt tde tdtte t tektu d t i p （式 1） 式中是控制器的输出，是系统给定量与输出量的偏差，是比例系)(tu)(te p k 数，是积分时间常数，是微分时间常数。其相应传递函数为： i t d t ) 1 1 ()(st st ksg d i p （式 2） 比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用： （1）比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节 器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决 于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对 p k 象存在静差。加大比例系数可以减小静差，但是，过大时，会使系统的动 p k p k 态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 p k stk ip stk dp 对象 re yu - 本科生课程设计（论文） 14 （2）比例积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节 的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差 不为零，它将通过e 累积作用影响控制量，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数大，u i t 积分作用弱，反之为强。增大将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳 i t 定性。引入积分词节的代价是降低系统的快速性。 （3）比例积分微分调节器：为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化 的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节 的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值 计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分， 当采样周期为 t 时， )( 1 0 ii d i j j i ipi ee t t e t t eku （式 3） 如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。上式中为全量输出，它对 i u 应于被控对象的执行机构第 i 次采样时刻应达到的位置，因此，上式称为 pid 位 置型控制算式。 可以看出，按上式计算时，输出值与过去所有状态有关。当执行 i u 机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式： )2( 2111 iii d i i iipiii eee t t e t t eekuuu （式 4） 或 )2( 2111 iii d i i iipii eee t t e t t eekuu （式 5） 式 4 称为增量型 pid 控制算式；式 5 称为递推型 pid 控制算式； 增量型控制算式具有以下优点： (1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影 响小； (2)在 i 时刻的输出，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时 i u 刻的偏差、，和前一次的输出值，这大大节约了内存和计算时间； 1i e 2i e 1i u (3)在进行手动自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡； 控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器 本科生课程设计（论文） 15 时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。下面介 绍简化算式的方法。 按照式 5 表示的递推型 pid 算式，计算机