智能PID算法在炉温度控制系统中的运用

1、第28卷第8期2011年8月机电工程JournalofMechanicalElectricalEngineeringVol28No8Aug2011智能PID算法在炉温度控制系统中的运用1112吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，杨燕云（1云南农业大学基础与信息工程学院，云南昆明650201；2云南农业大学国资处，云南昆明650201）摘要：针对工业炉温度控制系统被控参数通常具有时变性、非线性、不确定性等特点，常规PID控制难以满足高精度控制的现状，提经温度变送器变换为标准电压信号后送出了智能PID算法与PIC1684单片机的温度控制系统。系统利用热电偶检测温度，A/D0809转换成数字信号，PIC1684

2、单片机与设定值比较，单片机执行智能PID算法并输出控制量去调节可控硅的触发脉冲，从而实现了温度的实时控制。研究结果表明：该控制器具有静态精度高、自适应能力强、可靠性高、抗干扰性强的特点，炉温控制效果良好。关键词：温度控制；智能PID控制；单片机；电加热中图分类号：TP273；TH39文献标志码：A文章编号：10014551（2011）08094803ApplicationofintelligentPIDalgorithminfinancetemperaturecontrolsystemWUXing-chun1，ZHAOJing-yan1，YANGXiu-lian1，YANGYan-yun2（1

3、CollegeofFoundationandInformation，YunnanAgricultureUniversity，Kunming650201，China；2DepartmentofAssetsManagement，YunnanAgricultureUniversity，Kunming650201，China）Abstract：Aimingattheproblemsofthetime-varying，nonlinearityanduncertaintyofparametersandthestatusthattraditionalPIDcontrolishardtomeetthehigh

4、stableconstant-temperaturerequirement，anewsystembasedonintelligentPIDcontrollerandPIC1684microcomputerwasinvestigatedinindustrialfurnacesThissystemusedthermocoupletomeasurethetemperatureoffurnace，andthetransmittercarriedthesignaltoA/D0809ThenthePIC1684microcomputerachievedthedeviationaccordingtobein

5、ggivenvalues，carriedonanintelligentPIDcontrolandoutputtedthecontrolquantitytoadjusttheangleofsiliconThusthesystemwouldcontroltemperatureTheresultsshowthatthisinterferenceAndgoodeffectsoftem-temperaturecontrolsystemhasthecharacteristicsofstaticaccuracy，adaptability，reliability，andanti-peratureisachie

6、vedbythiscontrollerinelectricheatersKeywords：temperaturecontrol；intelligentPIDcontroller；microcontroller；electricheaters0引言分2。智能控制常与传统PID控制结合，它对于不具有精确数学模型的控制对象有着广泛运用。本研究以单片机为线索，针对电加热炉的特点构建了电加热炉温度控制系统，利用智能PID控制算法设计了一个温度在定范围内可调的电加热温度控制系统。电加热炉是科学实验、工业生产等过程中常用的加热设备，由于炉子种类与规格、加热对象的不同，它们所构成的系统千差万别。从控制的角度讲

7、，多数电加热炉具有升温单向性、大惯性、大滞后性和参数时变1难以用精确数学模型表达，这给传统PID性等特点，控制带来了困难。而其升温的单向性是一个必须面对的重要问题。在工控系统中，用得最广泛的控制方式是PID控制；近年来，国内外对智能控制的研究和运用十分活跃，智能技术已成为工业控制的重要组成部收稿日期：201104061系统原理电加热炉温度控制过程可以用自然降温、程序升温和恒温3个分过程来描述。降温：停止加热，环境温度在整个过程中保持不变，受控温度场最终稳定为环mail：wuxingchun2002118163com作者简介：吴兴纯（1972），男，云南宣威人，讲师，主要从事自动检测、计算机控制

8、方面的研究E-第8期吴兴纯，等：智能PID算法在炉温度控制系统中的运用·949·境温度。程序升温过程：给定电压值为一变化值，由程序控制逐渐变化，最终使炉温稳定在给定值上。恒温：给定炉温为一定值，使炉温稳定在给定值上，这时受控场温度恰好抵消散热因素的影响而能够维持在所设定的温度。导通角度来控制其供电电压。通过改变可控硅的触发脉冲可以实现输出功率的调节，即调节可控硅的供电电压达到调节电加热炉炉膛的温度。2硬件电路设计控制器的核心是PIC1684单片机，其硬件原理如图2所示。系统采用镍铬热电偶检测温度，测量范围在4001000，热电偶输出电压为164mV4132mV3，该信号经变

9、送器变换标准模拟电压信号后送A/D0809转换器图1系统原理图4，转换器输出的数字实测温度信号送入单片机PIC1684。单片机根据系统的给定温然后执行智能PID算度和温度实测值比较得出偏差，法程序求出控制量，得出可控硅的触发脉冲，调节可控电加热炉温度控制系统的结构图如图1所示。炉膛温度是由炉丝的供电功率来调节，炉丝由可控硅的硅的导通时间，达到控制温度的目的。图2硬件原理图PIC1684单片机是一种集CPU、RAM、ROM、I/OI/O地址分配接口和中断系统等部分于一体的器件，为：RB0RB7为输入端口，用来接收AD0809的D0D7的实时温度数据；RA1为脉冲输出口，每输出一个脉冲，寄存器74

10、LS164接收一次从串行输出口RA0输出的温度显示数据；RA1口为可控硅控制量输出口，RA3口接键盘的一输入按钮，用于正向温控设定（每RA4接键盘的控按一次设定值加1，设满为0FFH），温/测温度开并，接低电平测温，接高电平控温。AD0809是8位8通道A/D转换器。74LS164为数据74LS48为译码显示器。热电偶检测到的温度寄存器，信号经变送器变换成0V5V范围内的标准信号送A/D0809的IN0口。331温度控制的算法与程序系统误差分析5典型二阶系统单位阶跃响应的误差曲线如图3所示。在图中“，”区域，误差朝绝对实施较弱的控制作用以保持等待；值减小的方向变化，“，在，”区域，误差朝绝对值

11、增大的方向变化，实施较强或一般的控制作用以使误差减小。设e（k）为当前采样时刻离散化的误差采样值，e（k1）、e（k2）为前一个和前两个采样时刻的误差采样值，e（k）、e（k1）为前一个和前两个采样时刻的误差变化率，于是：e（k）=e（k）e（k1）（1）·950·机电工程第28卷u（k）=umax，当e（k）0时umin，当e（k）0时emax，则：（10）规则2：如果emide（k）u（k）=（11）图3典型二阶系统单位阶跃响应的误差曲线u（k1）+K1u（k），当e（k）·e（k）0时u（k1）+u（k），当e（k），e（k）0时规则3：如果emine（k）

12、emid，则：e（k1）=e（k1）e（k2）u（k）为控制器第k次的输出值，出的最小值，则：（2）u（k）=u（k1）+Ku（k），当e（k）·e（k）2u（k1）+u（k），当e（k）·e（k）0时0时（12）设umax为控制器输出的最大值，umin为控制器输u（k）=KPe（k）e（k1）+Kie（k）+Kde（k）2e（k1）+e（k2）（3）K1为设u（k1）为控制器第k1次的输出值，K2为抑制系数（K21），emax、放大系数（K11），emid、emin为设定误差界限，其中emaxemidemin。当e（k）emax时，误差的绝对值很大，此时不论误差的变化趋势

13、如何，都应考虑控制器按最大（或以便迅速调整误差。即：者最小）输出，规则4：如果e（k1）u（k）=u（k1）emin，则：（13）智能PID控制算法在计算机中完成，实现上述算法只要对相关的参数进行四则运算和参数比较即可。emid、emin等参数的大小及采智能PID算法中的emax、样周期T的频率可在程序调试中具体确定。u（k）=umax，e（k）0u（k）=umin，e（k）0（4）当e（k）·e（k）0时，误差在朝绝对值增大的方向变化，如果此时emide（k）emax，误差仍较大，考虑控制器实施较强的控制作用，以便误差的绝对值迅速减小。即：u（k）=u（k1）K1u（k）制器实施一

14、般的控制作用。即：u（k）=u（k1）u（k）（6）当e（k）·e（k）0时，误差在朝绝对值减小的如果此时emide（k）emax，误差仍较大，方向变化，考虑控制器实施一般的控制作用。即：u（k）=u（k1）+u（k）制器采取较弱的控制作用。即：u（k）=u（k1）K2u（k）当e（k）持控制器的输出不变。即：u（k）=u（k1）32智能PID的控制规则本研究根据上面的分析，可以总结出相应的控制规则如下：规则1：如果e（k）emax，则：（9）（8）emin时，误差的绝对值很小，此时可保（7）33如果此时emine（k）emid，误差并不大，考虑控图4主程序流程图（5）如果此时emi

15、ne（k）emid，误差并不大，考虑控软件系统设计系统程序设计包括主程序设计、显示程序、键盘处理程序等。控制器的软件主要包括两部分：监控程序和控制程序。监控程序的主要功能包括初始化设置、内存清零、定时采样、键位操作和显示等。控制程序的主要功能包括定时、数据处理、斜坡输入信号、控制规则计算等。控制软件采用模块化结构，把常用的计算功能编成模块结构程序，固定其输入/输出地址，以便随时调用。其中主程序的流程图如图4所示7。（下转第959页）第8期陈雪冰，等：基于CAN总线和LabVIEW的能馈电子负载监控系统·959·4结束语本研究基于CAN总线和LabVIEW开发了能馈电3GEN

16、AG，VALENZANOAAnimprovedCANfieldbusforJIEEETransonIndustrialAp-industrialapplicationsplications，1997，44（4）：553-5644PINHOLM，VASQUESFReliablereal-timecommunicationJIEEETransonComputers，2003，52inCANnetworks（12）：1594-16075周伟，梅顺良新型基于能量循环的电源老化节能实现J微计算机信息，2007，23（7）：219-2216王敬贤电子负载监控系统的研制D北京：北京交通2006大学电气工程学

17、院，7广州致远电子有限公司PCI-9820I产品数据手册M2007广致远电子有限公司，8TRRAVISJ，KRINGJLabVIEW大学实用教程M乔2008瑞萍，等译北京：电子工业出版社，9FUHL，CHANGWCWindTurbineMonitorSystemSimu-lationandValidationC/InternationalSymposiumonComputerCommunicationControlandAutomation（3CA）Tainan：sn，2010子负载监控系统，实现电源老化测试的自动化。通过上位机的人机界面可以控制能馈电子负载的运行并实实时性好、可靠性高。在老化

18、时监测测试电源的状态，测试结束后，能生成Excel测试报表，以便对测试电源作后续分析和跟踪。该监控系统通过设置不同的机种参数，可以对不同规格的电源进行老化测试，具有很强的通用性和实用价值。参考文献（References）：1岳秀梅，马学军，康402邬宽明CAN总线原理和应用系统设计M北京：北京2002航空航天大学出版社，勇基于CAN总线的大功率逆变器电测与仪表，2008，45（10）：37-电源监控系统设计J编辑：李辉（上接第950页）4实验结果实验电炉的升温、降温曲线如图5所示。由曲线可以获得令人满意的控制效果。其渡时间长的缺点，按区段进行不同算法的调节6，bang控它既有bang-又有迟滞控制稳定性的抗干扰能力。该制的快速性，控制器在热处理、化工、机械加工、金属冶炼等行业中具有广泛的用途和推广价值。参考文献（Refe