基于PID算法的小型恒温水浴锅控制系统的设计 开题报告.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告（ 2012 届）论文题目基于PID算法的小型恒温水浴锅控制系统的设计PID algorithm based on small constant temperature water bath pot control system design学生姓名学号专业班级指导教师职称杭州国际服务工程学院（信息科学与工程学院）教学部制一、 选题依据（背景与理论或实践意义、国内外研究现状与发展趋势）随着科学技术的发展，各类精密产品的生产制造以及特种科学实验都要求具有特定的工作环境，恒温就成为了不可缺少的条件之一。目前我国常见的恒温系统的恒温精度为1及0.5，也有0.1。而一些高精度的恒温系统如光学仪器厂的刻线室恒温精度已达到了0.0056。但是在某些非凡的科学实验室不仅恒温精度很高，而且干扰量多，如渗透风、设备散热、送风温度波动以及电热器供电电压的波动等，且某些干扰量如渗透风其最大值难以确定而没有采用相应的措施控制渗透风干扰量，导致房间温度的波动过大，结果使恒温精度很难达到要求。如何使这些非凡的科学实验的恒温精度达到使用要求，成为了恒温控制系统设计的一个巨大的难题。由于传统的PID控制算法，其运算简单、调整方便、鲁棒性强，在过程控制中，这种控制算法仍占据相当重要的地位。故目前恒温室的空调系统大部分采用PID控制。但PID控制的效果如何，在很大程度上是取决于控制器参数的正确整定。为此，人们提出了各种不同的参数整定方法，如误差积分最小、固定衰减比、极点配置等方法。这些方法主要是用经典控制理论中的一些设计方法或者依靠现场试验方法来进行PID控制器参数的计算与整定。显然，这就要求操作人员具有较高的理论基础和现场调试经验。而且，被控对象模型参数难以确定以及系统性能稳定性较差，则需频繁地进行参数整定，这必将影响系统的正常运行。对于这些非凡的空调房间温度的控制，由于被控对象具有较大的惯性和迟延，且受各种因素变化的影响，因此对象的传递函数具有非线性和时变特性，采用传统的PID控制难以取得较好的控制效果。在工业生产中，经常需要采用闭环控制方式来实现温度、压力、流量、间距等连续变化的模拟量控制，无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制都得到广泛的应用。PID控制器是比例-积分-微分控制的简称，具有不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，以及程序设计简单，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静态误差和改善动态响应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。二、 研究目标与主要内容（含论文提纲）研究目标：针对恒温水浴锅中温度控制模型及参数变化的不确定性，提出采用R8C25单片机作为核心，以温度控制芯片TMP100为辅助，进行数据处理，实现了水浴锅的恒温控制。使该控制系统达到动态响应好、控制精度高，满足实际的恒温水浴锅温度的要求。目录第一章 绪论第二章 PID技术介绍第三章 系统的硬件设计方案第四章 软件设计第五章 总结参考文献致谢三、拟采取的研究方法、研究手段及技术路线、实验方案等（一）研究方法和手段系统以R8C25芯片为核心，以温度控制芯片TMP100为辅助，采用I2C协议的通讯时序，使用PID算法，模拟实现水浴锅温度的智能控制。（二）技术路线1） PID控制的PLC实现在有模拟量的控制系统中，经常用到PID运算来执行PID回路的功能。PID回路指令的编程和实现都非常方便，PID控制广泛应用于闭环控制系统中，PID控制器调节回路输出，为了使系统达到稳定状态，应让偏差e（给定值SP和过程变量PV的差）趋于零。2）PID程序实现 水浴锅需要维持一定的水温，这需要有一个传感器来感测水箱温度的变化。给系统设定一个温度固定值，在过程中，温度变量在这个温度固定值上下浮动，由温度传感器测量提供数据波动。固定值可以预先设定后直接输入到回路表中。采用单片机技术进行温度控制系统设计，传感器、液晶作为显示模块，以R8C25单片机为处理器，具有温度采集并显示，超过上限报警，超过下限自动加温的功能。直接采用PID指令实现在PLC中应用PID控制器的方法，是一种简单且经济的方法。PID控制算法有很强的灵活性，可根据实际生产的需要，采用PI，PD，PID等控制方法，实现较高的控制要求，采用PID控制水流，系统波动小，响应快，控制精度相对较高。三）实验方案采用单片机技术进行温度控制系统设计，传感器、液晶作为显示模块，在基于PID算法实现水浴锅控制时，采用R8C25芯片核心，实现实时温度测量，温度显示，声音报警等。采用TMP100温度控制器，分辨率采用0.0625。四、中外文参考文献目录（理工科专业应在10篇以上，文科类专业应在15篇以上，其中外文文献至少2篇。）1秦文虎、周杏鹏.程序温控仪中PID参数自整定算法M.北京：清华大学出版社，2000（1）.2孙德敏、曹术华.基于BangBang的PID参数自整定算法及其应用J.北京：清华大学出版社，1991（12）.3金以慧.过程控制M.北京:清华大学出版社,1993.4KJ奥斯特隆姆.自适应控制M.北京:科学出版社,1992.5丁芳、贾翔宇、李科伟、杨明.模糊算法在智能车控制中的应用J.北京：中国民航大学学报,2009(1)6郭伟.基于时域的PID模型预测控制算法改进及仿真J.合肥：中国科学技术出版社,2008(5).7王志强、吴嘉澍、郭寒军.基于自抗扰技术的智能温度控制器设计J.苏州：电气传动出版社，2008(4).8关学忠、高杉、曾凡军.锅炉燃烧器模糊-PID复合控制器的设计M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004(01).9陶永华.新型PID控制及应用M.北京：机械工业出版社,1998.10蔡行健.深入浅出西门子S7-200 PLCM.北京:北京航空航天大学出版社,2003.11王正林、郭阳宽.过程控制与Simulink应用M.北京:电子工业出版社,2006.12K J ASTROM,T HAGGLUND.PID Contorller,2EditionM.Research Triangle Park,Notth Carolina:Instrument Society of America.1995.13S.Z.HE,H.S.TAN,L.F.XU.Fuzzy Self-tuning of PID ControllersJ.Fuzzy Set and System.1993,56(2).五、研究的整体方案与工作进度安排（内容、步骤、时间）整体方案：（一）前期预备首先通过大量相关文献的阅读以及撰写文献综述、外文翻译等方式，了解、掌握瑞萨嵌入式程序开发流程，了解瑞萨开发工具HEW，熟悉嵌入式C语言，了解硬件电路的知识，明确项目的研究目标，制订具体的工作计划，完成开题报告。（二）基础性知识准备通过硬件电路的设计过程掌握关键点TPM100温度感应器的性能参数以及IIC协议的通迅时序。并掌握PID算法。（三）在硬件电路的基础上完成小型恒温水浴锅控制系统。（四）撰写毕业设计报告，主要章节。工作进度安排如表所示：进度安排：序号时间内容111.09.18 12.01.15在资料收集及分析研究的基础上，完成文献综述，外文翻译，写出开题报告。212.01.15 12.04.15开题答辩，中期检查312.01.15 12.03.15重点分析温度感应器的引脚分布以及PID算法。412.03.16 12.04.15毕业论文的撰写、修改、完善、定稿。在12年4月16日前完成日前完成相关资料的整理归档和上传，系统的调试完善。512.04.16 12.04.30完成答辩相关材料的准备（答辩成绩表中学生填写部分、答辩讲演ppt、答辩时系统演示的软硬件准备等）。612年4月中下旬参加答辩712.05.25前整理并上交本人毕业设计相关的所有电子、打印材料。六、研究的主要特点及创新点预期目标：采用单片机技术进行温度控制系统设计，传感器、液晶作为显示模块，在基于PID算法实现水浴锅控制时，采