基于PID算法的水温控制系统设计

1、山西科技SHANXISCIENCEANDTECHNOLOGY2011年第26卷第3期应用技术基于算法的水温控制系统设计林烨（浙江工贸职业技术学院，浙江温州，325003）摘要：本控制系统采用STC12C5410单片机作为控制器，采用软件实现PID控制，利用STC12C5410单片机内部资源实现PWM功率控制，采用DS18B20作为温度传感器，并经过实验证明系统的有效性。关键词：水温控制PID算法；PWM；中图分类号：TP273概述积分和微分进PID控制是按设定值和被控变量偏差的比例、行控制的一种控制方法，目前PID控制的理论研究和工程实践非常广泛，有三种比较常见的PID控制算法，分别是：位置式

2、算法、增量式算法和微分先行算法。在工程应用中又有变速积分、抗饱和积分等改进算法。本设计用软件实现位置式算法和变速积分算法，对水温进行控制。本课题研究的水温控制系统，要求水温可以设置在35°C到控制精度要达到±0.5°C，因此本课题只需考虑加热90°C之间，系统的硬件设计系统硬件结构本课题设计的水温控制系统由温度检测模块、控制单元模块、加热电路、键盘、显示模块等部分组成，结构PWM控制模块、框图如图1所示。水温经由DS18B20构成的传感模块通过单总线传给控制器，控制器根据检测值与设定值的偏差，计算PID控制值，其结果通过PWM模块控制加热电路功率，实现温

3、度控制。键盘控制显示模块模块加热电路温度传感模块R1PWM控制文献标识码：A文章编号：（2011）1004-642903-0110-03实际要求，通过简单的编程实现912位数字值读数方式。其测量范围从-55°C到+125°C，在-10°C到+85°C间精度达到±0.5°C。并且每个DS18B20都有一个唯一的64位ROM号，可以方便地使用其独有的单总线构成多点检测，节省了宝贵的控制器I/O口。控制电路设计系统采用拥有PWM模块的STC12C5410单片机作为控制器，STC12C5410采用的是增强型51内核，相对51芯片其主要更宽的工

4、作电压、特点包括：更高的执行频率、ISP在系统可编程和IAP在应用可编程、片内集成EEPROM、片内集成AD转换、片内集成PCA和PWM模块等。采用该芯片可以减少外围原件和电路、提高电路的抗干扰能力和可靠性，价格上也有较高的性价比。控制系统的被控对象是电热管，执行机构采用SSR固态继电器，固态继电器具有控制电压宽（332V）、驱动电流小（520mA）、通断延间小（<10ms）等优点，适合通断频率高的控制场合，控制电路如图2所示。三极管的基极连至STC12C5410单片机P2.7（PCA0/PWM0）引脚。固态继电器闭P2.7输出高电平三极管导通，合电热管加热，反之电热管不加热。VCC图1

5、系统结构框图NPNQ2R210KSSRQ1AC-L系统采用DS18B20温度传感器，它是美国DALLAS半导体公司生产的一种改进型温度传感器，与传统的热敏电阻等温度元件相比，它能无需A/D转换直接读出被测温度值，而且可根据收稿日期：2011-04-19作者简介：林烨，男，1982年出生，2005年毕业于宁波大系统软件设计PID算法实现学，325002，浙江省温州市新城大道万源路808号·110·JP112HeatAC-N图2控制电路图系统通过传感器测量被控PID控制是基于反馈的控制方法。变量的值，将测量值与设定值进行比较得出偏差函数，按照偏差函数的比例、积分和微分进行控制。

6、其框架如图3所示。该加强积分作用。为了解决这个问题，本课题采用了变速积分的改进算法。变速积分的原理是在偏差E增大的时候减弱积分作用，偏差E变小的时候增强积分作用。为此引入一个与偏差函数（k）有关的函数fe（k），其表达式为：e（k+NM-Ek（k）fe=（k）M+NNE（k）<NEk-11（k）>M+NE（6）将原来的积分部分Ki×T×e（j）变成Ki×T×e（j）（k）+feej=0j=0（k）本设计经实验验。M和N的取值根据系统的具体要求设定，图3PID控制框图加热功率PWM控制实现本课题采用的STC12C5410单片机具有4路16位的可

7、编程）或8位的可调制脉冲输出（PWM）模块。本课题计数器阵列（SPA只用到一个PWM模块，该模块连接到P2.7（PCA0/PWM0）引脚。PWM的输出频率决定于PCA定时器的时钟源。PCA定时器的时定时器0的钟输入源有四种可供选择，分别是：Fosc/12，Fosc/2，溢出频率，P3.4/ECT的输入频率。由于PWM是8位的，所以本设计采用的是定时PWM的输出频率PCA时钟输入频率/256。器0的溢出频率作为PCA的时钟输入，这样可以通过设置定时器0的计数值改变PWM的频率。程序流程图本系统设计了高温自动停机保护程序，当检测温度高于90时，系统自动切断电源，保护电器。当温差高于20°

8、C时，系统将全功率加热；当温差低于20°C时，调用PID算PWM输出置1，法控制加热功率。系统的程序流程图如图4所示。其中E是设定值与被控变量的偏差，作U是PID计算结果，为控制量控制对象。由于本系统采用软件实现的数字式PID，它是根据采样时刻的偏差值E计算控制量U的。其公式为：（t）（t）u=Kpe+1i达式为：K（k）（k）（j）（k）（k-1）u=Kp×E+Ki×T×e+dE-E（2j=0其中Kp为调节器的比例放大系数，Ki为积分常数，Kd为微分常数，T为采样周期。由公式（2）可见，数字式PID控制器有三个需设定参数，它们是比例放大系数、积分时间常

9、数和微分时间常数。对一个控制系统而言，控制质量的好坏取决于参数整定是否合理，如果参数整定不合理，则系统不仅精度低，还可能崩溃。理论整定法（主要是根据PID参数整定概括起来有两大类，系统的数学模型，经理论计算确定控制参数。这种方法计算得到的理论数据不能直接使用，还必须通过实验进行调整和修改）和工程整定法（主要依靠控制经验，直接在系统运行时进行调整）。本设计采用工程整定法中的Ziegler-Nichols整定法整定PID参数。首先，将Kd和Ki置0，通过反复实验，增加比例系数直到系统开始稳态振荡，记下此时的比例系数Km和振荡角频率。然后按照以下公式计算PID参数：Kp06×KmKdKp&

10、#215;/4×KiKp×/（3）（4）（5）k乙（t）（t）edt+Tdde（1）本课题是用软件实现PID控制，所以须用数字式PID，其表将以上参数代入PID控制器时还需考虑采样时间。根据香农采样定理，采样频率应大于2倍的截至频率，在满足这个条件的基础上，采样时间越短越好，但这样不仅会增加计算负担，还容易引起系统振荡。如果采样时间太厂，又会丢失一些高频的信息，无法反映连续的时间信号，针对本课题设计的水温控制系统而言，由于系统惯性较大，同时控制精度要求较高，经反复实验，确定采样时间为1s。在实际应用中，系统对积分项的理想要求是：当偏差大时，积分项应减弱，避免产生超调甚至积分

11、饱和；当偏差小时，则应图4系统程序流程图白松建：大雍特大桥屈曲分析计算得到高墩最不利稳定系数为620，大于稳定系数规定说明结构最大悬臂施工状态结构的稳定性满足要求。的45，33运营状态稳定性分析大雍特大桥运营阶段计算荷载考虑为：结构自重、二期恒人群荷载、车道荷载、风荷载，本文研究时依据现行公路工载、程技术标准主要考虑了以下两种工况：工况一：自重二期恒载。工况二：自重二期恒载车道荷载人群荷载纵向风荷载全桥车道荷载按公路I级车道荷载加载。车道荷载的均布荷载标准值为：集中荷载标准值；二期恒载；人群荷载；纵向风荷载。计算同前。进行全桥稳定性分析时，研究重点仍然是分析高墩的稳定性问题。墩顶轴力是影响桥墩

12、失稳的重要因素，故进行车道荷载布置时，以产生墩顶最大轴力为原则来确定最不利影响线。考虑到工况一不利情况远小于工况二，故不作控制计算。对于荷载工况二，稳定计算结果见表1。表1主桥两种工况下稳定安全系数和失稳特征失稳阶次稳定安全系数12失稳特征桥墩一阶侧弯+主梁纵漂桥墩二阶侧弯+主梁一阶竖弯+主梁纵漂2011年第26卷第3期结构稳定特征值均远大于5，失稳模态均为纵向失稳。计算表明，结构满足稳定性要求。4结论本文对大雍特大桥进行了最大双悬臂施工状态和成桥状态下稳定分析，两种工况的最不利稳定安全系数分别为620和均大于规范限定值。结果表明，结构施工状态和成桥状态1623，稳定性较好。参考文献1马保林高

13、墩大跨连续刚构桥M北京：人民交通出版社，20012郭梅高墩大跨连续刚构桥稳定分析J西安公路交通大学学报，1999，（3）193李国豪桥梁结构稳定与振动M中国铁道出版社，北京：1996.4王振阳，赵煜高墩大跨径桥梁稳定性J长安大学学报，（4）2003，235何畅薄壁高墩连续刚构桥的空间稳定分析J公路，2005（11）BucklingAnalysisofDayongBridgeBAISongjianABSTRACT：TakingDayongBridgeasanexample，thepaperbuildsthefinitespacemodelbasedonthegeneralfiniteprogra

14、m，computesthestabilityandsafetycoefficientsofstructureconstructionandoperationandanalyzestheunstabilitycharacteristicsofbridgesTheresultshowsthatDayongBridgeisstableandsafeenoughcontinuousrigidframe；finite；stabilityKEYWORDS：highpier；!（上接第111页）4结论本文从硬件和软件两个方面论述了基于数字PID算法的水温控制系统的基本构造。本系统充分利用了STC12C541

15、0单片机的内部资源。经过实验样机试验，系统能够实现设计要求，温度可以设置在35°C到90°C之间，控制精度在±0.5°C内，系统运行稳定可靠。参考文献1于辉过程控制原理与工程M机械工业出版社，北京：20102陶永华，尹怡欣新型PID控制及其应用M机械工北京：业出版社，19983何顶新，王4陈宗梅，袁维温控系统中改进的PID算法J电气传动，勇谈如何整定温控系统中的PID参数J重（8）：20073739.（3）：庆电子工程职业学院学报，2010152154.DesignoftheWaterTemperatureControllingSystemBasedonPIDAlgorithmLINYeABSTRACT：ThecontrollingsystemadoptsSTC12C5410SCMasthec