王PID温度控制.docx

1、王PID温度控制PID温度控制系统一、项目简介本项目要求，采用PID控制技术，通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三面的结合调整形成一个精细控制来解决惯性温度误差问题。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。1、标题： PID温度控制系统研制2、PID控制的发展及应用： PID控制当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应

2、。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 二、整体设计：1、功能分析：PID温度控制，该项目主要是针对PID控制，这一广泛应用的控制方式进行模拟设计，江浙以控制方式在有限的条件和环境范围内完成其原理上的完善和粗略恒温控制的调节。本项目主要是要完成恒温箱内温度的恒温控制，具有预设温度、恒温调节等功能。、 预设温度功能，即恒温箱内的恒温值可手动更改。本功能可通过

3、改变可调电阻阻值，使测量桥臂两端电压改变来实现，但因热敏元件的非线性，实验调解中还应考虑到一定误差。、 恒温调节功能，即改变相应阻值用以改变恒温控制调节灵敏度。当箱内温度即将达到预置温度使，电热元件停止全功率加温，通过电路内部的比例积分微分计算，产生控制信号控制可控硅调压，使箱内温度升温速度减缓，以免超出温度预置值。2、整体思路设计：3、方案设计：方案一：硬件实现电源调整方案二：软件实现4、两种方案的比较、选择：方案一，用硬件电路实现PID调节功能。即采用集成运算放大电路完成PID控制的调节，在实现原理上为首选方案，但是同时要考虑到后期电路功能调节及功能扩展上的难度及局限性。方案二，用软件编程

4、方式实现PID调节功能。用软件方式实现的关键在于单片机的语言程序。因为汇编语言中并没有积分计算和微分计算的指令。此外，可控硅的触发在实践上要求严格，也会给编程造成一定困扰。比较以上两种方案，选择用硬件电路来完成实验设计。系统框图如下所示：三、单元电路设计1、温度采集模块：此图为温度采集电路。将热敏元件焊接在电桥回路中，利用电桥回路的特性对与之温度值与环境温度进行比较，并输出。其中，热敏元件的选择如下：可选用的热敏元件有：热电偶、热敏电阻、DS18B201 热电偶：热电偶测温的基本原理是，两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电

5、动势，这就是所谓的热电效应（塞贝克效应）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。热电偶传感器就是基于热电效应原理工作的传感器，是目前接触式测温中应用最广泛的热电式传感器。特点：测量范围广、易于实现温度补偿，但价格较高。2 热敏电阻：热敏电阻是用半导体元件制成的热敏器件，按其电阻温度特性，分为三类：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）以及临界温度系数热敏电阻（CTC）。在温度测量中使用最多的是 NTC型热敏电阻。特点：灵敏度较高、工作温度范围宽、体积小、使用方便易加工成复杂的形状、可大批量生产、稳定性

6、好、过载能力强。3 DS18B20：测量的温度范围为-55C+125C，在-10C+85C范围内，精度为0.5C。特点：抗干扰能力强，体积小，采用一总线，可组网。但精度不高。小结：热敏元件的选取：综上所述，本设计中选用热敏电阻作为感温元件。热电偶虽应用广泛，但是在恒温箱的设计中，温度调节大致在20C70C范围间，而且价格较高。DS18B20，精度低，不适用于PID控制的精确设计。而热敏电阻的感温范围及其灵敏度都较为适合本设计试验。2、转换电路：此图为转换电路，利用集成运算放大器将电桥的输出进行转换、比较、放大，将微弱的信号变为较大信号。3、比例微积分电路：a) LM324简介：LM324系列是

7、带有差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的特点：1.短跑保护输出。 2.真差动输入级。 3.可单电源工作：3V-32V。

8、 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）。 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源。 8.行业标准的引脚排列。 9.输入端具有静电保护功能。LM324的稳压供电：上图为LM324的稳压供电源，其中外接二极管其输出短路保护作用。比例：如原理图所示，集成运算放大器A2为比例部分，但在实际设计计算中，运放A1已对信号进行了放大。将电桥的两输出分别接到A1的两输入端，设计为一差分比例运算电路。取比例带为6C。（比例带是按照环境温度和设定点间差距比例修正加热的速率，离开设定点愈远，加热的速率愈快；差距愈小，移动愈慢。）电位器RP1用于预置温度，保证UI2

9、UI1。比例（P）调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 如图所示：比例带=6C，已测得，t=20C时，Rt=500.假设温度每升高一度，热敏电阻阻值降低7，则有：设Rt=500，RP1=400，则，UI2-UI1=0.13V，得：U1=RP2/10*0.13; 5V=RP2/10*0.13; RP2=400* 如图所示：U2=设 U1=4V，U2= 5=RP3=2.5*积分：积分（I）调节作用是，使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调

10、节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数T，T越小，积分作用就越强。反之T大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 利用积分运算电路将信号的变化平均化，如图所示：U3=-,微分：微分（D）调节作用是，微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调

11、节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。利用微分运算电路，；来检测输出电压与输入电压的变化率。如图所示：U4=-RC4、可控硅触发电路：利用单结晶体管超生振荡电路，触发光耦，进而触发可控硅控制电灯亮端电压。可控硅（晶闸管）：1 、 晶闸管的结构及原理： 一块半导体做成P-N-P-N四层结构，顶端的P区引出阳极，底端的N区引 出阴极，靠近底端的P区引出阳极。 G极空置时，A-K间无论所加电压极性如何均不能导通。 当A-K极所加电压为A正K负， 且G-K极加上G正K负的电压时，

12、 A-K间等同于二极管正向导通，要等A-K间电压接近零或极性变反才恢复截止。2 、 晶闸管的特性： 1 A极与K极间正向导通反向截止（类似二极管）； 2 A-K极正向导通需要G-K极加正向电压触发； 3 G极只起触发作用，一旦A-K导通G极的任务便告完成。 (3)、 晶闸管的主要参数： 1 最大正向平均电流； 2、最大正、反向阻断电压； 3、最小导通维持电流； 4、最小控制极触发电压； 5、控制极最大允许正向电压。、 晶闸管的主要用途： 晶闸管阳极与阴极间通过大电流和承受高电压的能力较强，因此常用作功率开关器件，但由于其关断要靠通过的电流减弱为零，因此通常用于交流电的控制，即当晶闸管A-K极受

13、正向电压时，给G-K极加正向触发电压使A-K导通，当A-K极的正向电压减小至零时自然关断。 由于晶闸管的导通是受控的，因此晶闸管可控制负载“得电”（晶闸管导通）与“失电”（晶闸管截止）的时间比，从而控制负载所得电压的平均值或负载的平均电功率。 (5)、 晶闸管调压原理： 由于晶闸管的导通需要触发，若交流电的每个半周到来后并不马上触发，而是延迟一 定的时间后（不超过交流电的半周期）再触发，则与晶闸管串联的负载就只能得到半周期 的部分电压，从而降低了负载所得电压的有效值。 5 、 晶闸管工作条件： 根据晶闸管的特性，晶闸管若要在每个正半周都导通，就要在每个正半周都触发一次，若要使负载得到的电压相对

14、稳定，则每次触发的时间（以正半周出现的时间为起点）就要相对固定，即触发脉冲的周期要与正半周出现的周期相同并相对稳定，也就是触发脉冲必须与正半周同步。 另外，触发脉冲的宽度要尽量小，以免触发脉冲出现在正半周快要结束时跨越到下一个正半周（全波整流时）造成下一个正半周的误触发。对触发脉冲的要求是：合适的幅度和最小的宽度。 四、总体电路设计：1、原理图：（见下页）2、元件清单：元器件代号名称型号规格数量Rt热敏电阻4711R0电阻511R1,R2,R13,R15电阻5104R3R9,R11,R16电阻10k9R10电阻2k1R12电阻1k1R14电阻50k1RP1电位器5101RP2RP6电位器470k5C1C4电容1040.1uf4A集成运算放大器LM324N1Q1三极管90131Q2单结晶体管BT33FJ1U1光敏耦合器1Q3可控硅BT169D1D1,D2二极管40078D4稳压二极管1T1变压器1检测及调试方法：比例微积分电路中的参数应随环境的变化进行调节，比例电路中的比例带随温度范围的变化而变化，一般情况下，占范围的 10%。但是，当调温范围过窄时，应适当的扩大比例带，以免加温过超。而积分和微分电路的时间常数则需要在具体实验中实验调节。因实验环境、时间等条件限制，理论与实践上的欠缺，项目的性能未能完全实现，望以后还有机会完成为实现的性能。