基于pid的水温控制系统设计

基于pid的水温控制系统设计内容摘要：

一种形式，其基本框图如图 所示。 显 示打 印记 录报 警微 型计 算机接 口接 口输 入 通 道输 出 通 道检 测 元 件执 行 器工业对象设 定 值 图 DDC 系统构成 框图 PID 控制系统的基本原理 PID 的基本组成 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简 称 PID 控制， PID（比例积分微分）英文全称为 Proportion Integration Differentiation， 又称 PID调节。 PID控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时 ，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI和 PD控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID 基本组成框图如图 所示。 图 PID 控制系统原理框图 比例积分 执行机构 对象微分 +U ( t ) C ( t )E ( t )+R ( t ) + 湖南商学院毕业设计 第 6 页 共 49 页 PID 控制 的工作原理 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t)的偏差的比例(P)、积分 (I)、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对控 制对象进行控制。 （ 1） PID 调节器的微分方程 如式（ 21）所示。 （ 21） 式中 )()()( tctrte  （ 2） PID 调节器的传输函数 如式（ 22）所示 （ 22） 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 如图。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “ 积分项 ”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的  STSTKSE SUSD DIP 11)( )()(   t DIP dt tdeTdtteTteKtu 0 )()(1)()( 湖南商学院毕业设计 第 7 页 共 49 页 作用， 其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “ 比例 ” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 比例积分控制 (PI 控制 ) 控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性； PI 控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。 如图。 比例积分加微分控制 (PID 控制 ) 微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果 ；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差； PID 控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。 如图 所示。 图 比例控制（ P） 图 比例积分控制（ PI） 图 比例积分微分控制（ PID） 湖南商学院毕业设计 第 8 页 共 49 页 PID 调节器各校正环节的作用 （ 1） 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 （ 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。 （ 3） 微分环节：能反应偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在偏差信号的值变得太大之前，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，减小调节时间。 PID 控制 的 参数整定 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。 PID控制器参数的工程整定方法，主要 有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3)在一定的控制度下通过公式计算得到 PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定 一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统： P（ %） 2060， I（分） 310， D（分） — 3。 湖南商学院毕业设计 第 9 页 共 49 页 3. 系统总体设计 方案选择与论证 水温控制系统是一个过程控制系统，组成框图如图 ，由控制器、执行器、被控对象其反馈作用的测量变送组成。 图 除了以上的组成元件以外，还要选择合适的算法以实现所要求的 控制精度 ，以下我会对关键的元件以及电路的确定进行详细的分析。 因为它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣。 温度传感器 的选择 目前 市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案： 方案一：选用铂电阻温度传感器。 此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好 ,但其成本较高。 方案二：采用热敏电阻。 选用此类元器 件有价格便宜的优点，也 可满足 40℃ 90℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于 1℃的温度信号是不适用的。 方案三：采用 DS18B20 温度传感器。 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有 3 引脚 TO－ 92 小体积封装形式；温度测量范围为－ 55℃～＋ 125℃ ,可编程为 9 位～ 12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 ℃，被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出远端引入。 此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。 比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。 SSR 执行器 被控对象 输出给定值控制器测量变送 湖南商学院毕业设计 第 10 页 共 49 页 继电器 的选择 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “ 自动开关 ”。 故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器的种类繁多，目前主 要可采用以下几种方案： 方案一：采用电磁继电器， 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。 只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。 方案二：采用热敏干簧继电器， 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。 它由感温磁环、恒磁环、 干簧管 、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。 热敏干簧 继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。 恒 磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 方案三：采用固态继电器（ SSR）， 固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按其工作性质分直流输入 交流输出型、直流输入 直流输出型、交流输入 交流输出型、交流输入 直流输出型。 比较以上三种方案， SSR 是一种无触点开关器件，具有高可靠性、长寿命、低噪音、抗干扰能力强等 一系列优点，因此选用方案三。 控制方案的选择 为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，须加装控制系统。 方案一：采用 8031 芯片，其内部没有程序存储器，需要进行外部扩展，这给电路增加了复杂度。 方案二：采用 2051 芯片，其内部有 2KB 单元的程序存储器，不需外部扩展程序存 湖南商学院毕业设计 第 11 页 共 49 页 储器。 但由于系统用到较多的 I/O 口，因此此芯片资源不够用。 方案三：采用 AT89S52单片机，其内部有 4KB 单元的程序存储器，不需外部扩展程序存储器，而且它的 I/O 口也足够本次设计的要求。 比较这三种方案，综合考虑单片机的各部分资 源，因此此次设计选用方案三。 系统组成 经过方案选择与论证， 系统模块共分为：温度采集模块、显示模块、继电器模块、键盘输入模块、控制模块，温度采集由 DS18B20 完成，显示模块采用 1602 液晶显示，继电器采用 SSR 固态继电器，控制器采用 AT89S52， DS18B20 可以被编程， CPU（ 89S52）首先写入命令给 DS18B20，然后 DS18B20 开始转换数据，转换后通 过 89S52来处理数据。 数据处理后的结果就显示到 1602 液晶 上。 系统总体框图如图 所示。 图 DS18B20 采用 12 位数据串行传送， 数据结果传送给控制器 AT89S52， AT89S52 进行数据处理，结果送至显示模块 LCD1602 进行显示；键盘输入模块可根据具体要求进行输入，设定温度值；驱动电路 采用 SSR 固态继电器， 根据 PID 处理结果控制加热器件的工作，当设定温度突变时，经 PID 调节可减少系统的调节时间和超调量，并由串口通信模块与 PC进行通讯，打印温度突变曲线。 本系统的执行方法是循环查询执行的，键盘扫描也是用循环查询的办法 ，执行总体流程如图。 温度采集模块AT 89 S 52键盘输入显示模块驱动电路模块 加热器件串口通信模块 PC 湖南商学院毕业设计 第 12 页 共 49 页 图 总体流程。