基于PID的温度控制与测量系统设计毕业设计Word文件下载.docx
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关键词：
温度测控PID控制单片机
Abstract
InthispapertheadvantagesanddisadvantagesofPIDcontrolandfuzzycontrolisanalyzedandthemethodofcombiningthemtogetherispresented.Thefuzzyself-tuningPIDcontrolmethod,whichinvolvesfuzzycontrolrules,isemployedtoachievereal-timeadjustmentstothethreeparameters
and
ofthePID.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Thesimulationresultsshowthatthecontrollerbasedonfuzzyself-tuningPIDcontrolalgorithmisthebestone,becausetheregulatingtimeisshort,theovershootandthesteady-errorisverylittle.Itcanmeetthecontroldemandsandit’santi-interferenceabilityisverystrong.Thedesigningmethodandrealizationofthesystemarediscussedindetail.TheMCUisthesingle-chipmicroprocessorAT89S52,K-typethermocoupleisusedastemperaturesensor,andMAX6675isusedasA/Dconverter.Whengettingtheinputorders,MCUworksoutthecontrolvalueandgivespulsesignaltodrivetheperformanceunitwhichiscomposedofphotoelectricalcouplerMOC3061andTRIACSBT136.Hostcomputercollectsthedatathroughserialcommunicationandusesamodulardesignapproach.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
Keywords:
TemperatureMeasurementandControl;
PIDControl;
MCU茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义
物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，温度是工农业生产、科学实验研究以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量，如：
在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中的温度控制；
在温室花房、蔬果大棚、粮仓等农业生产中的温度测控；
与我们生活息息相关的微波炉、电热水器、电烤箱、空调等家用电器的温度控制；
高等院校实验室微机测控系统中将温度作为被测参数，供学生做综合实验、实训或课程设计等。
温度控制对于小到人民的日常生活、大到钢铁等大型工业生产工程都具有广阔的应用前景。
准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，所以对温度进行控制是非常必要且有意义的。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
目前，温度测控系统一般使用的还是传统仪器，以单台仪器独立工作、手工操作、人工记录和分析判断信息为主要设计思想，其功能和规格一般被厂家所固定，使用时需要通过硬件或者固化的软件来实现，用户无法随意改变其结构和功能，不具有通用性。
而当前的发展对测控仪器提出了越来越高的要求，不仅要求能完成实时在线监测，还希望具有更强的通用性，能适应多种多样的使用要求，随时可改变检测对象、完成不同测试任务或升级换代，能建立起一个可掌握生产过程的信息资料，并能以监测、分析、控制和优化等手段为及时的人工决策和控制提供依据的测控系统。
显然，传统仪器已经不能适应现代检测系统的要求。
一些智能仪器构成的温度监测系统，也往往需要人干预，费时费力，而利用高级编程语言进行软件开发又让人感到力不从心。
总体而言，测控领域主要面临了以下几大问题：
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
（l）产品更新换代的速度太快，彼此之间的兼容性较差；
（2）难以满足用户不同层次和不断变化的要求；
（3）对测控系统集成入网、并能通过网络访问和交互的需求日益迫切。
智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。
上述差距，是我们必须努力克服的。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
随着科学技术的进步和计算机技术的飞速发展，虚拟仪器开启了测控仪器的新纪元。
虚拟仪器为人们建立检测系统、自动测量系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。
它含有种类丰富的函数库，科学家和工程师们利用它可以方便灵活地搭建功能强大的测控系统。
同时，现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，也为控制系统的理论领域增加了新的内容。
常用的温度控制电路除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。
利用现代控制理论与虚拟仪器技术，将智能控制与传统控制有机综合应用，提高测量精度，设计出适用于不同加热条件和要求的智能型温度测控系统是当今测温研究的一个重点。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
本文的研究对象——电烤箱，是一种非线性、时变性、大时滞的被控对象，用精确的数学模型表示其特性是十分困难的，用常规的PID控制难以达到较高的控制精度，只有在参数整定准确且系统不发生剧烈变化的情况下才能实现，然而这对一般的电烤箱温度控制系统来说都难以满足，在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都有较大的超调，本论文基于这一特点进行研究，提出一种控制方案，把虚拟仪器与智能温度控制相结合，开发一套基于模糊自整定PID参数算法的控制系统，使其具有结构简单、响应速度快、控制精度高、鲁棒性强的特点。
另一方面基于控制实验室建设的要求，目前在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室，用虚拟仪器技术来实现智能温度测控实验系统，将其用于实验室电烤箱的温度控制，使其达到相应的技术要求，来满足自动控制技术、单片机、虚拟仪器技术、传感器与检测技术等多门课程的教学与实验，并能用作学生综合实训或课程设计,系统的使用和维护费用低。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
1.2课题的国内外研究现状
1967年Leondes等人在他们的技术汇报中首次正式使用“智能控制”一词。
1974年，Mamdani首次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制，标志着人们用模糊逻辑进行工业控制的开始。
1976年，P．J．King和Mamdani等人合作，采用模糊模型的预估方案，用模糊控制对反应器进行温度控制，成功解决了系统不稳定的问题，这也是控制史上首次利用模糊控制来进行温度控制。
20世纪90年代，美国、英国相继发表《智能控制专辑》，德国、日本等国家也连续发表多篇智能温度控制在各个领域的应用方面的论文。
现今Simens和Inform公司联合研制了性能优良的模糊控制开发软件工具及第三代模糊微处理器，可利用软件或硬件的方法实现对系统的模糊控制。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
早在1965年我国著名科学家傅京孙首先提出把人工智能启发式推理规则引入学习控制系统，并于1971年提出人工智能和自动控制交叉学科，奠定了国内智能控制发展的基础。
随后越来越多的学者开始关注智能控制技术，国家也越来越重视智能控制理论的研究和应用，1993～1995连续三年国内都召开了与智能控制有关的学术会议。
由于温度控制涉及到工业、农业和日常生活等众多领域，智能温度控制技术成为国内学者研究的重要内容，在科技刊物上发表的与智能温度控制有关的论文也相继增多。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
总体而言，智能控制在温度控制系统中得到了广泛的应用。
目前，国外已研制出智能化、精度高、小型化的智能温度控制器，开发出成熟的智能控制算法和控制软件。
相比较而言，国内智能控制技术与日本、美国、瑞典、德国等先进国家相比，仍存在较大差距。
目前国内成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制为主，商品化的智能控制系统少，在智能控制技术研究方面投入的人力、物力还不够。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
1.3课题研究的主要内容
本课题以电烤箱为研究对象，针对电烤箱升温单向性、大惯性、大滞后的特点，在比较常规PID控制、模糊控制及参数模糊自整定PID控制策略的基础上，主要对参数模糊自整定PID控制的应用进行了研究，并结合虚拟仪器巨大的优越性，设计出响应速度快、超调量小、稳态误差小的温度测控系统。
本课题的具体研究内容如下：
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
第一章：
论述智能温度测控系统课题的背景和意义，温度测控系统控制方案，课题的国内外研究现状及本论文的主要内容。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
第二章：
系统模型的建立及控制策略的选择与设计，利用Matlab对PID控制、模糊自整定PID控制进行仿真比较。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
第三章：
智能温度测控系统硬件电路的设计。
根据系统设计原则，给出整体设计方案，详细介绍以单片机为核心的温控系统各部分器件的功能与原理，给出电路原理图，并对硬件采取各种抗干扰措施。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
第四章：
智能温度测控系统的软件设计，给出了各主控模块的子程序流程图,对整个系统进行了调试和实验，对实验结果进行了分析。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
第二章被控对象及控制策略
2.1系统模型的建立
控制系统建模方法分为两大类：
机理建模和实验建模。
机理建模理论上可以很精确，但实际上受客观条件的限制很难做到，对于复杂的系统必须事先做许多简化和理想化才能建立模型。
这种方法存在数学方程不易准确建立、实验工艺较复杂、运行工况变化较大等缺点，最终会造成对象模型的不准确。
实验建模把被研究的对象看作一个黑箱，通过输入信号，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，估计出系统的数学模型，这种方法简单实用，尤其对一些不易了解内部结构和机理不明的“黑箱”系统更是如此。
考虑到电烤箱结构复杂，许多变量间只存在相关关系，而这种关系往往不能直接用数学式来精确描述，所以本文选择实验建模来获取系统模型。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
电烤箱是一个具有热容量的对象，当系统上电以后，箱内的温度是一个随时间逐渐上升的过程。
加热丝的温度逐渐升高，通过箱壁热传递和热辐射使箱体内温度也逐渐升高，温箱有一定的容量滞后，其余环节可视为比例环节，因而一般可用一阶惯性环节加一个滞后环节来描述温控对象的数学模型，其传递函数表示为：
（2-1）胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
式中K是对象的静态增益；
T是对象的时间常数；
τ是对象的纯滞后时间。
电烤箱模型参数的辨识常用的方法是阶跃响应法。
电烤箱在不同功率下的阶跃响应曲线基本相同，所以可由某一功率下的系统阶跃响应曲线来取得系统的近似特征参数。
在获得对象的飞升曲线后可用Cohn-Coon公式求对象参数。
一阶惯性纯滞后对象飞升曲线如图2-1所示。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
图2-1一阶惯性纯滞后对象飞升曲线
Cohn-Coon公式如下：
（2-2）
（2-3）
（2-4）
式中
和
分别是飞升曲线为0.28y和0.632y时对应的时间。
本文的被控对象是深圳市伟科达电热设备有限公司生产的型号为WKD-298的电烤箱，工作频率50Hz，温度范围0-250度，总功率2000W。
在实验过程中对其给定输入180度，每30S采样一次，得到实验数据如表2-1所示：
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
表2-1实验测得的电烤箱温度数据
时间/s
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
温度/℃
20
37
50
63
75
94
106
131
141
330
360
390
420
450
480
510
540
570
600
152
161
168
171
175
177
178
179
将表2-1中的数据输入MATLAB进行仿真得到图2-2。
图2-2系统阶跃响应响应曲线
根据Cohn-Coon公式可得到系统模型的各参数：
k=0.95，T=178s，
τ=30s。
因此本文被控对象的传递函数为：
（2-5）
2.2控制策略研究
1、PID控制的基本理论
PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，对于线性定常系统的控制是非常有效的，其调节品质取决于PID控制器的各个参数的确定。
常规PID控制系统原理框图如图2-3所示。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
图2-3常规PID控制系统原理图
理想的PID控制器根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成的控制偏差e（t）
e（t）=r（t）-c（t）（2-6）
将控制偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控其
连续形式为：
（2-7）
其中，e（t）为系统误差，
分别为比例系数、积分时间和微分时间。
在图2-3的基础上简单分析一下PID控制器各校正环节的作用:
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
（l）比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数
，随着
的增大，稳态误差逐渐减小，但同时动态性能变差，超调量也增大，容易产生振荡，甚至会使闭环系统不稳定。
因此
选择必须适当，才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
（2）积分环节的引入主要用于消除静差，即当闭环系统处于稳定状态时，此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。
积分作用的强弱取决于积分时间常数
越大积分作用越弱，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡，但消除静差所需的时间较长。
反之随着
减小，静差也减小，但过小的
会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
（3）微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度，微分控制能感应出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。
微分部分的作用强弱由微分时间
决定。
越大，则它抑制e（t）变化的作用越强，
越小，它抗e（t）变化的作用越弱。
它对系统的稳定性有很大的影响。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。
在离散控制系统中，PID控制采用差分方程表示：
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
（2-8）
令
，
即有
（2-9）
其中
分别为积分系数和微分系数。
从式（2-9）可以看出，每次输出均与过去的状态有关，为了避免在求取计算机输出值u（k）时对e（k）量进行累加计算，在实际应用中常采用增量式PID控制算法：
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
根据递推原理可得：
（2-10）
用式（2-9）减式（2-10）可得
（2-11）
2、PID控制器的优缺点
现今在过程控制中接近90％仍是采用纯PID调节器，PID控制器能够适用于如此广泛的工业与民用对象，充分反映了其良好品质。
概括地讲，PID控制的优点主要有以下两点：
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
（1）原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。
（2）控制器适用于多种截然不同的对象，其控制品质对被控对象的结构或参数
变化不敏感，算法在结构上具有较强的鲁棒性。
但从另一方面来讲，控制算法的简单性和普遍适用性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性，主要体现在以下几方面：
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
（1）PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上是基于
动态特性的低阶近似假定的。
（2）常规PID控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动的不同性能要求。
（3）PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，对于大时滞、大惯性等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其它控制器组合，才能得到较好的控制.風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
2.3仿真分析
1、PID控制
以下是在SIMULINK中创建的用PID算法控制电烤箱温度的仿真模型：
图2-4电烤箱PID控制系统仿真模型
在图中的PID模块中对三个参数进行设定，在TransportDelay模块中设定滞后时间30秒。
通过不断调整PID三参数，得到最佳仿真曲线，其中Kp＝2，Ki＝0.008，Kd＝0.001。
当给定值为150时，仿真结果如图2-5所示：
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
图2-5PID控制系统响应曲线
可见性能指标为：
调节时间ts约为750s，超调量σ约为40％，稳态误差ess=0。
2、模糊自整定PID控制
以下是在SIMULINK中创建的用模糊自整定PID控制算法控制电烤箱温度的仿真模型：
图2-6电烤箱模糊自整定PID控制系统仿真模型
当给定值为150时，系统响应曲线如图2-7所示：
图2-7模糊自整定PID控制系统响应曲线
由图可以看出性能指标：
调节时间ts约为300s，超调量σ％＝0，稳态误差ess=0。
2.4本章小结
本章通过实验数据，建立了以电烤箱为对象的数学模型，分析了PID控制、和模糊自整定PID控制的原理及优缺点，确定了模糊自整定PID控制为电烤箱的控制策略。
最后通过对二种控制方案进行仿真研究和分析，证实了参数模糊自整定PID控制策略可实现调节时间短，超调量小，稳态误差小等较理想的性能指标，作为该温控系统的控制器是可行的。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
第三章温度测控系统的硬件设计
电烤箱是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关烤箱门、环境温度、加热材料以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热要求。
因此电烤箱的温度控制是一项关键性的技术，本章主要讨论电烤箱温度测控系统的硬件设计。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
首先介绍了测控系统的总体设计原则和设计方案，然后具体介绍了系统各部分外围硬件的设计。
图3-1系统总体设计框图
3.1温度测控系统的硬件组成
系统硬件框图如图3-2所示，由以下几部分组成：
AT89S52单片机及其最小系统模块、温度检测模块、键盘模块、LED显示模块、输出控制模块等。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
图3-2系统硬件框图
工作原理：
电烤箱的温度由热电偶进行采集，经信号放大、冷端补偿、线性化处理、A/D转换后将所检测的温度信号转换成对应的数字量，通过SPI串口送入单片机，通过单片机软件对数据进行处理，该温度一方面经LED数码显示器显示，另一方面与键盘输入的给定值进行比较，计算其偏差，通过参数模糊自整定PID控制算法进行运算，运算结果形成以PWM形式输出的温度控制信号，通过过零触发光电耦合器件进行光电耦合隔离后，通过控制晶闸管的通断来调节电烤箱平均功率的大小，以达到控制烤箱温度的目的。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
3.3温度检测电路的设计
温度检测电路是温度测控系统中的重要部分，承担着检测电烤箱温度并将数据传输到单片机的任务在温度的采集测量过程中，热电偶因具有体积小、使用方便、测温范围宽、测温精度高、性能稳定、动态响应好、输出直接是电压信号，便于讯号的远传和记录，也有利于集中检测和控制等优点而成为工程上应用最广泛的温度传感器。
K型热电偶的稳定性较高，可在氧化性和中性介质中长期测900度以下温度，其回复性较好，产生热电势较大，线性好，价格便宜，测量精度较高，是工业中最常用的一种热电偶。
经综合考虑K型热电偶的测温范围、测温精度、测温特性及价格，本文设计的智能温度测控系统选择K型热电偶作为温度传感器，实物如图3-3所示。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
图3-3K型热电偶实物图
K型热电偶是工业生产中被广泛应用的廉价测温组件，具有结构简单、使用方便、测量温度范围宽，测量精度高、稳定性好等特点，但将热电偶应用于单片机系统时，存在以下几个方面的问题：
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
（1）信号弱：
测温时热电偶产生的模拟信号很微弱，故需要对其进行放大处理。
（2）冷端补偿：
热电偶输出的热电势为冷端保持为0度时与测量端的电势差值，
而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度变化而变化的，故需进行冷端补偿。
（3）非线性：
热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用
时必须进行线性化处理。
（4）数字化输出：
与单片机系统接口要采用数字化输出及数字化接口,而作为
升级会员 