基于单片机PID算法的电加热炉温度控制系统设计

基于单片机PID算法的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法1引言电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。2总体方案设计本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。图1系统总体设计方案图2.1系统硬件选择单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。本次设计选用的是MCS-51单片机系列中的AT89C51，其具有结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、高可靠性和高性价比等特点。AT89C51单片机具有以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2.2系统算法选择由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。一般来说可以采用如输出开关量控制、比例控制（P控制）、比例积分控制（PI控制）、比例积分加微分控制（PID控制）。比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，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。本系统采用PID的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。PID的一般反馈过程为：比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，其控制规律为：（1）单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式计算：（2）如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。我们变换式（2）得：（3）把△ei=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1带入式（3）得：（4）式（4）中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以式（4）来编程比较方便。式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：1）当ei大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。2）当ei小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。3功能模块设计本系统共分为以下六大模块：1）单片机控制模块A/T89C51是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用PID算法得出结果并送输出。本系统集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。2）数据转换与采集模块A/D0808AD0808是CMOS的8位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行A/D转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等。另外ADC0809输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到CPU数据总线上。实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成模拟的电压信号，而A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中，以便后续对数据的处理。3）按键选择模块系统采用了两个按键用来进行温度的设定，一个进行温度加，一个进行温度减。每按下一次，温度就相应的加一或减一。按照设计要求，温度的设定范围为50-150度。图2功能模块设计图表1系统配置清单表序号部件名称所属类数量1AT89C51MicroprocessorICs12A/D0808DataConverters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL74LSseries18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL74LSseries810NOTSimulatorPrimitives111NORSimulatorPrimitives212POT-HGResistors113电容Capacitors214CLOCKSimulatorPrimitives215CRYSTALMiscellaneous116电阻Resistors117INPUT终端418GROUND终端719VSOURCESimulatorPrimitives14）显示模块显示模块采用两个7段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度，并用74LS04来驱动数码管。5）报警模块当实时温度高于或低于设定温度5度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。6）输出模块经过数据的运算，单片机通过P3.4口的高低电平来控制加热系统的通断，通过导通时间的长短来控制加热的强度，以达到精确控制的效果。当温度在设定温度的正负5度之内时，系统进行PID运算控制；当高于设定温度5度时，停止加热；当低于设定温度5度时，全功率加热。由于仿真软件自身条件的原因，使用绿色的LED灯代替，当绿灯亮时，表示正在加热，不亮时，停止加热。4软件仿真设计采用PROTUES软件进行仿真。PROTUES是一种基于标准仿真殷勤SOICE3F5的混合电路仿真工具，既可以仿真模拟电路，又可以仿真数字电路以及数字、模拟混合电路，其最大特色在于能够仿真基于控制器的系统。PROTUES是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是集电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。利用Matlab中的Simulink绘制系统仿真图形，如图3所示。图3系统仿真图5调控结果分析对积分和微分先进行处理，使得到的等幅震荡时的kc值，当Kc=1.13，Tc=40，TI=0，TD=0时出现等幅震荡曲线（图4）。然后通过Z-N法则的第二法，加入为微分和积分之后，采用PID控制。图4系统仿真等幅震荡曲线改变Kp的值，既可以得到不同的结果，如图5所示。从图中可以分析出Kp从0.7上调至1.1时对系统超调量造成的影响。当Kp增大到一定程度时，将会导致系统的超调量增加，稳定性变差，并且使得系统产生震荡。当Kp为1时，系统开始出现震荡，在Kp大于1时，出现剧烈震荡，系统稳定性变差。图5不同Kp值对应的系统稳定性变化情况6结论本文以AT89C51单片机为主体，设计了一个能处理较复杂数据和控制功能的电加热炉温度控制系统。该系统具有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能。通过调节PID参数消除稳态误差，最终使得实际温度与设定温度的误差稳定在一定范围。本系统对电加热炉的温度控制系统优化具有一定借鉴意义。参考文献[1]陈强.基于C51单片机的电加热炉温度控制系统设计[J].电子世界,201