基于单片机的恒温控制系统论文

基于单片机的恒温控制系统论文内容摘要：

信 ，而 MCS51 单片机本身具有全双工的串行口。 因此只需要配一些驱动、隔离电路就可以构成了洋分布式系统，其连接图如图 所示，由于 MCS51单片机串行口是标准的 TTL 电平，为使其与 RS232 电平接口，在 MCS51单片机串行口联有 1488 和 1489，以实现电平匹配。 由于 1448 的输出端不能相互并联，故加上一个二极管进行隔离 [2]。 图 PC机与单片机的接口电路 在主机通信软件中，首先根据拥护的要求和通信协议规定，对 8250 进行初始化。 设置的 8250 的初始化数据是：波 特率为 9000b/s； 8 位数据位； 1位奇偶校正位； 1 位停止位。 由于从机 MCS51 的格式固定为四种方式，本设计采用方式 3。 因此这里的奇偶校正位用做发送地址 /数据特征位（ 1表示地址），而数据通讯的校正采用累加和校验法。 数据的发送和接收采用查询方式，其程序框图 如图 所示，在发送时，先 用输入指令检查发送器的保持寄存器是否为空。 若为空，则输出指令将一个数据输出给 8250， 8250 会自动将数据一位一位地发送到串行口通信线上。 在接收时， 8250 把串行口数据转换成并行数据，并送入到接收数据寄存器中，同时把“接收数据 就绪”信号置于状态寄存器中，CPU 读到这个信号后，就用输入指令从接收器中读入一个数据。 P Ｃ机RS2321488 1489M C S 5 1 系统1488 1489M C S 5 1 系统1488 1489M C S 5 1 系统 图 PC机通信软件框图 第 3 章 温度控制系统软件设计 PID 调节器 控制原理 在控制系统中 ,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。 PID 控制系统原理框图如图 所示。 系统由 PID 控制器和被控对象组成。 比例微分积分被控对象Rin(k) Yout(k)+++ 图 PID控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器 ,一种它根据 给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构成控制偏差： Error(t)=rin(t)yout(t) PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。 即，控制器的输出为： 开始8 2 5 0 初始化发送地址码受到回答信号否发送数据收到数据否CC接收数据传送结束否发送校正码收到信号否回答信号= 0 0结束 错误 NYYNNYNYNY    t Dp dt tde r r orTdtte r r orTte r r orktu 01 )()(1)()( 或写成传递函数的形式：   sTsTksE sUsG Dp 111)( )()( 左中， kp—— 比例系数 ； Ti—— 积分时间常数； T d—— 微分时间常数。 简单说来， PID 控制器各校正环节的作用如下 [5]： （ 1） 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 error(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 比例控制： Gc(s)= Kp （ 2） 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强尽弱取决于积分时间常数 Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 积分控制： Gc(s) = Kp/T is （ 3） 微分环节：反偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期 修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 微分控制： Gc(s) =KpT ds 位置式 PID 算法 基本 PID 控制器的理想算式为 式中 u(t)—— 控制器 (也称调节器 )的输出； e(t)—— 控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即 e(t)=r(t)c(t)）； Kp—— 控制器的比例放大系数； Ti —— 控制器的积分时间； Td—— 控制器的微分时间。 设 u(k)为第 k 次采样时刻控制器的输出值，可得离散的 PID 算式 式中 ，。 由于计算机的输出 u(k)直接控制执行机构（如阀门）， u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式 (2)为位置式 PID 控制算法。 位置式 PID 控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对 e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出 u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障， u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。 数字 PID 参数的整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被控过程的特性 确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有 两大类：一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验， 直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 本设计采用 PID 归一整定法把对 控制台三个参数（ Kc、 Ti、 Td,）转换为一个参数 PK ， 从而使问题明显简化。 以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配 ,满足某种反映控制系统质量的性能指标。 采样周期选择的原则 （ 1）根据香农采样定理，系统采样频率的下限为 fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号。 （ 2）从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。 采样周期必须大于这一时间。 （ 3）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 （ 4）从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些。 （ 5）从计算机的精度看，过短的采样周 期是不合适的。 （ 6） 当系统滞后占主导地位时，应使滞后时间为采样周期的整数倍 下表 列出了几种常见的被测参数的采样周期 T 的经验选择数据。 可供设计时参考。 实际上生产过程千差万别，经验数据不一定就合适，可用试探法逐步调试确定。 表 采样周期的经验数据表 被测参数 采用周期 T（ s） 备注 流量 1～ 5s 优先选用 1s 压力 3～ 10s 优先选用 5s 液位 6～ 8s 温度 15～ 20s 或纯滞后时间 成分 15～ 20s PID 参数对系统性能的影响 表 PID 参数对系统性能的影响 参数 图 作用 缺点 P 加快调节，减少稳态误差 稳定性下降，甚至造成系统的不稳定 I 因为有误差，积分调节就进行，直至无差 .消除稳态误差，提高无差度。 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。 D 反映系统偏差信号变化率，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。 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节，对系统抗干扰不利。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成PD或 PID控制 . 综上所述， （ Kp、 Ti、 Td,）对系统的性能影响如表 所示： 表 Kp、 Ti 和 Td 对系统的影响 影响 Kp Ti Td 稳态性能 可以减少静差，但不能消除 消除静差，但不能太大 配合比例控制，可以减少静差 动态性能 加快系统速度，但会引起震荡 太小会不稳定，太大会影响性能 太大和太小都会引起超调量大，过渡时间长。 PID 计算程序 PID 调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为：   t DIP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( 式中 )(te 为调节器的输入误差信号，且 )()()( tCtrte  、 其中： )(tr 为给定值， )(tC 为被控变量； )(tu 为调节器的输出控制信号； PK 为比例系数； IT 为积分时间常数； DT 微分 时间常数。 计算机只能处理数字信号，若采样周期为 T第 n次采样的输入误差为 ne ， 且 )()( nCnren  ，输出为 )(nu ， PID 算法用的微分dtde由差分Tee nn 1代替，积分 dttet0)( 由 TeK 代替，于是得到    T eeTTTeKu nnDniInPn 101 、 写成递推形式为 △ 1 nnn uuu =     ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( =    )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()(211   nnnDPnIPnnP eeeTTKeTTKeeK = )2()( 211   nnnDnInnP ee。