基于pid的温度控制与测量系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于pid的温度控制与测量系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

长春理工大学毕业设计 7 微分时间 DT 决定。 DT 越大，则它抑制 e (t)变化的作用越强， DT 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。 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：    ki dP kekeTTiTiTkKk 0 )1()()(e)(e)(u （ 28） 令 )1()()(e  kekek ，ip TTKK i ， TTKK dpd 即有 )()()()(u 0 keKieKkeKk dkiiP   （ 29） 其中 iK ， dK 分别为积分系数和微分系数。 从式（ 29）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： 根据递推原理可得：   )1()(1)1(u 10   keKieKkeKk dkiiP （ 210） 用式（ 29）减式（ 210）可得 )}1()({)()}1(e)({)(u i  kekeKkeKkkeKk dp （ 211） 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： （ 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： （ 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 得到较好的长春理工大学毕业设计 8 控制 . 仿真分析 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 24 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 Transport Delay 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＝ ， Kd＝。 当给定值为 150 时，仿真结果如图 25 所示： 图 25 PID 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。 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： 长春理工大学毕业设计 9 图 26 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 27 所示： 图 27 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。 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。 长春理工大学毕业设计 10 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。 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 31 系统总体设计框图 温度测控系统的硬件组成 系统硬件框图如图 32 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。 图 32 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。 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长春理工大学毕业设计 11 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 33 所示。 图 33 K 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： （ 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 模拟小信号测温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求 ,需要进行 A/D 转换。 因而，通常将热电偶应用于单片机系统时，都采用“传感器 → 滤波器 → 放大器冷端补偿 → 线性化处理 → A/D 转换”的模式，该模式具有转换环节多、电路复杂、抗干扰能力差、精度低、调试困难等缺点。 如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在单片机领域的应用设计。 本文设计中选用了由 Maxim 公司生产的 K 型热电偶专用模数转换器 MAX6675，来完成热电偶电势至温度的转换。 它是一种高精度的集成芯片，体长春理工大学毕业设计 12 积极小，不需要其它任何的外围电路，就能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、 A/D 转换及 SPI 串口数字化输出功能，可以直接与单片机接口，大大简化了热电偶测量智能装置原本复杂的软硬件设计，大大减少了温度控制过程中的不稳定因素，保证了测温的快速、准确。 MAX6675 的特性和引脚功能 MAX6675 的性能特点如下： (1)对 K 型热电偶输出直接 进行数字转换； (2)内部集成有冷端补偿电路； (3)简单的 SPI 串行口温度值输出； (4)0 度～ 度的测温范围，温度分辨率为 度； (5)内含热电偶断线检测电路； (6)高阻抗差动输入，低功耗； MAX6675 采用 SO8 封装形式，长 ，宽 5mm，高 ，引脚功能如表 33 所列。 表 33 MAX6675 引脚功能 引脚 名称 功能 1 GND 接地端 2 T K 型热电偶负极 3 T+ K 型热电偶正极 4 VCC 正 电源端 5 SCK 串行时钟输入 6 C\S\ 片选端 7 S0 串行数据输出 8 NC 空脚 MAX6675 与单片机的通信 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与单片机接口，通信过程如下：当单片机使 MAX6675 的 CS 引脚从低电平变为高电平时， MAX6675 将进行新的转换；当单片机使 MAX6675 的 CS 引脚从高电平变为低电平时， MAX6675 将停止任何信号的转换 ,同时在 SCK 时钟输入脉冲的作用下，从 SO 端输出串行转换数据，一个完整的数据输出过程需要 16 个 SCK 时钟周期，数据的读取约定在 SCK 的下降沿完成。 MAX6675 的输出数据为 16 位，输出时高位在前。 D15 位是伪标志位，始终为 0； D14～ D3 是由高位到低位顺序排列的转换温度值； D2 用于检测热电偶是否断线，当 D2 为 1 时表明热电偶断开； D1 为MAX6675 的标识符，始终为 0； D0 位为三态。 断开； D1 为 MAX6675 的标识符，始终为 0； D0 位为三态。 MAX6675 的串长春理工大学毕业设计 13 行接口时序图如图 34 所示。 图 34 MAX6675 SPI 接口时序图 MAX6675 与单片机的接口电路 MAX6675 与单片机的接口电路如图 35 所示，单片机的 、 、 口分别接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。 当 AT89S52 的 为低电平且 产生时钟脉冲时， MAX6675 的 SO 脚输出转换数据，每一个 SCK 的脉冲信号下降沿 SO 输出一个数据， 16 个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位 D15，最后输出的是低电位 DO， D14～ D3 为相应的 12 位温度转换数据，转换值的变化范 围是 0～ 4095，对应表示实际温度为 0 度～ 度，分辨率为 度。 由于 MAX6675 内部经过了激光修正，因此，其转换结果对应温度值具有较好的线性关系。 温度值与数字量的对应关系为：温度值 =转换后的数字量 /4095=转换后的数字量 /4。 当 为高电平时， MAX6675 开始进行新的温度转换。 图 35 MAX6675 与单片机的接口电路 为了正确使用 MAX6675 芯片，在进行电路硬件设计时，还应该注意以下几点： (1)MAX6675 的测量精度对电源 耦合噪声比较敏感，设计时需要在 MAX6675 的电源引脚与地线之间接一个 0． 1μ F 的陶瓷旁路电容，同时尽量将 MAX6675 布置在远离其他 I/O 芯片的地方，以降低电源噪声的影响。 (2)MAX6675 的 T端必须接地，并使接地点尽可能接近 GND 脚，否则读出数据为无规律的乱码。 (3)由于 MAX6675 是通过冷端补偿来校正周围温度变化的。 只有当热电偶的长春理工大学毕业设计 14 冷端和芯片温度相等时，才可获得最佳的测量精度，所以在进行 PCB 设计时，要尽量避免在 MAX6675 附近放置易发热元件或器件。 同时，要采用大面积接地技术来降低芯片自热引起的测量误差，提高温度测量精度。 (4)MAX6675 完成温度的放大、滤波、 A/D 转换以及 SIP 输出等一系列过程要一个最小转换时间，约 ～ 秒，所以一般应使系统的采样周期大于 250 毫秒。 (5)尽量采用大截面积的热电偶导线，长距离传输时，可采用双绞线作为信号传输线。