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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机在温度控制器的应用摘要单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产中，电流、电压、温度、压力和流量也都是常用的被控参数。 本文介绍了“基于单片机的温度控制系统”的设计及其相关内容。系统属于典型的基于单片机的大惯性环节的PID闭环控制装置，通用性很强，在工业过程控制中 有着广泛的应用。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制 程序、管理
2、程序，实现对被控参数的控制与管理。 本论文介绍了基于单片机的温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。共分五章：第一章介绍了背景和 总体的设计思路；第二章介绍了AT89C51单片机的基本知识；第三章对系统设计中所涉及的一些主要的芯片做了简单的介绍；第四章介绍了系统硬件电路的设 计；第五章介绍了系统的软件设计过程。关键词： 单片机；温度控制；PID 目 录第五章 系统调试 .总结参考文献附录第一章 绪论温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。温度控制系统在工业控制中应用广泛，如在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、食品加工等行业中应用十分普遍。主要是通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器
3、采集，再经过AD/转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现数据的存储、处理、显示的过程。如今在很多温度控制系统中，一般是选用单片机来实现。温度控制有很多方式，如采用模拟仪表控制、数字仪表控制、单片机控制、PLC控制、微机控制等等。近年来，随着计算机技术、电力电子技术的飞速发展以及对控制对象在线控制条件、技术参数、控制效果及质量等方面越来越高的要求，使得采用工业控制计算机进行温度控制在现代化的工农业领域中得到了愈来愈广泛的应用。大到粮库、程控交换机、大型温室等场合，小到变频空调甚至现在的一些CP机的主板都用到了温度监控系统。由于温度控制是工业生产中典型的过程控制问题，对温度进行准确的测量和
4、有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。随着生产的发展，对温度控制的要求将会越来越高。本课题属工业控制过程研究领域，所谓过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及HP值等这样一些过程变量的系统。如今，随着自动控制理论与技术的迅速发展，特别是现代控制理论和微机技术的发展，大大促进了工业自动化的进程，但PDI控制仍旧是工业控制的主力军。最初的PID控制器是利用气动系统构成的。在50年代运算放大器出现以后，电子元器件取代了气动元件。60年代后，由于计算机控制的出现使得PDI控制发展到DDC阶段，即计算机直接作为执行机构来控制被控对象。70年代微处
5、理器的出现，使过程控制发展到分散控制阶段，PID控制器则是它的主要组成部分。80年代开始在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。PDI控制器在实际控制工程中应用最广，其被广泛应用主要是因为它结构简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。传统的PID控制器主要问题是参数整定问题。方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PDI参数，其整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好
6、，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态。而且参数一旦整定计算好以后，在整个控制过程中都是固定不变的。而在实际系统中，由于系统在控制过程中会出现状态和参数的不确定性，因此在现代工业控制中，采用传统的PDI控制器已难以获得满意的控制效果。所以越来越多的新型PDI控制器得到了人们的重视。近几年来有众多的先进PDI技术不断涌现出来，如最优控制、模糊控制、智能控制、自适应控制等，本人也将以温度控制实验系统为实际工程背景对一些先进的PDI技术进行研究。第二章 系统的需求和总体思路2.1功能需求单回路温度控制器实际上是以单片机控制为核心，根据社顶目标温度值进行自动或手动调节的单回路温度控制系统，主要包括温
7、度检测，温度控制，参数显示，报警指示等部分。根据模式值，可查看相应的参数，如温度值，温度上限报警值等，并根据需要可对参数进行修改，保存等。同时本系统还配有上位机，可以由上位修改设定温度，并启动通信，实时显示温度值和趋势曲线，与下位机配合可构成一套完整的温度监控系统。主要功能如下：设定温度显示，实时温度显示温度上限报警，温度报警上限值设定温度下限报警，温度报警下限值设定目标温度设定放大电路放大倍数设定P，I，D控制参数的设定手动加热设定值手动/自动设定温度零点标定参数保存上位机设定目标温度值上位机显示实时温度波形曲线图2.2总体思路温度控制系统包括实现温度控制的CPUADUC812，温度测量装置
8、，加热元件，温度参数显示，SSR，辅助控制电路等。整个系统硬件结构如图10.1所示，其对应的硬件线路可参考。数码管用来显示模式值及相应的参数，通过控键可改变模式值及修改相应的参数值。CPU根据温度值对上，下限报警值进行比较，控制报警灯的状态。本系统采用周波来控制加热炉的温度。K分度热电偶作为温度传感器，是检测电路关键部件。传感信号通过放大，滤波等处理，可直接有CPU进行A/D转换，换算为相应的温度测量值。根据测量值和设定值之差，进行PID运算，将计算结果转换为周波数，通过控制SSR通过的周波数来控制加热炉的温度。2.3操作模式的规划基于数码管的单回路控制器，往往使用菜单模式来切换所有的显示参数
9、，只有在当前模式下才能修改和显示其对应的参数。本系统可用3个按键实现模式切换和参数修改操作，所以这3个键分别定义为模式键，数值增加键和数值减少键，用8个数码管显示模式和对应的参数，左边4个数码管显示模式值，右边4个数码显示相应的参数值。根据系统的功能需求，应该设计10种模式，各模式的定义如下：模式0：温度设定值和温度实时值显示；模式1：设置和显示温度上限报警值（01 200）模式2：设置和显示温度下限报警值（01 200）模式3：设置和显示设定值得（01 200）模式4：设置实时温度采集放大电路的方法倍数模式5：设置和显示PID算法中的比例系数（0.0050.00）模式6：设置和显示PID算法
10、中的积分系数（0.0050.00）模式7：设置和显示PID算法中的微分系数（0.0050.00）模式8：设置和显示手动输入值（0100）模式9：手动/自动切换（1：手动；0：自动）模式10：标定和显示实时温度的零点。第三章 系统元器件及相关算法介绍3.1 ADuC812单片机目前,单片机开发者接触的数字控制系统,还有很大一部分反馈和最终控制的都是模拟量,这种控制系统,都需要有A/D、D/A转换,为了节约这类嵌入式控制系统的体积以及开发成本, AD公司新推出了一种单片机ADuC812,它把AD公司多年生产A/D、D/A转换器的经验和Intel成熟的51单片机技术结合在一起。ADuC812是一个全
11、集成的12位数据采集控制系统,在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道ADC, 2个12位DAC以及可编程的8位(与51兼容) MCU1。由于它许多的优越性能,以及便宜的价格,为我们提供了一种方便、快捷、廉价的数字控制系统设计模式。3.1.1 ADuC812的主要性能ADuC812片内带有8 kB的闪速/电擦除(Flash/EE)程序存储器、640 B的闪速/电擦除数据存储器以及256 B的SRAM,对于普通的数字控制系统这些一般可以满足控制器对存储空间的需要,不需要外加存储器芯片。虽然如此, ADuC812还能外接最多16 MB的外部数据存储器和最多64 kB的外部程序存储器。可以外接高存储量
12、的数据存储器使该型单片机能够在数据采集系统以及其它需要高存储空间的系统中使用。采集速率,也就是A/D转换的速度最高可以达到200 kb/s (12 MHz晶振)。AduC812自带2.5 V电压基准;八通道高精度12位ADC, 2个12位电压输出DAC。由于具有和8051兼容的内核,除了某些特殊功能(如ADC、DAC)的程序编写外,其它程序的编写完全和51一样,这使51单片机的开发者很容易学会开发ADuC812单片机系统。图2一1 AduC812的功能方框图在外围接口上面,ADuC812带有32条可编程的I/O线,包括UART串行口I/O, 2线(与I2C兼容) SPI串行I/O。ADuC81
13、2和51系列单片机开发一个显著的差别就是ADuC812不需要购买专门的单片机开发系统,只需要有QuikStart软件包,就可以通过串口从上微机直接把程序代码写入ADuC812的程序存储器中。QucikStart开发系统是一个功能完善的ADuC812单片机系列开发工具包,可以从AD公司下载,在国内也可以从武汉力源公司网站下载。QuikStart软件包的主要功能有:代码开发,完整的汇编器和C编译器(限制2 kB代码);代码下载,闪速电擦除UART串行下载器,在一切硬件都准备好以后,运行代码下载程序就可以把程序代码写入到ADuC812芯片中;芯片资料文档,这些文档中有关于ADuC812单片机性能最完
14、整的介绍。在代码下载前,先把ADuC812的串行接口和计算机的串口依次接好。在ADuC812的52根引脚中,有一根控制引脚PSEN,上电复位时,如果PSEN引脚接+VCC,芯片上电后就处在正常工作状态,反之,如果PSEN引脚通过1 k的电阻接地,如图2一2所示,则芯图2一2 程序下载时PSEN引脚接法片上电后,就处如闪速/电擦除程序串行下载模式,这时,运行Quik- Start软件包中的Download.exe程序就可以把单片机的程序代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中,写入前,下载软件会自动对存储器进行电擦除。这个功能为ADuC812单片机系统的开发提供了一个非常便利的条件。开
15、发者可以在既不需要购买专门的开发系统又可以在调试过程中不取下芯片的情况下,根据需要对ADuC812的片内存储器进行多次电擦除-写入操作。作者建议,在PESN引脚端通过跳线器分别接+VCC和10AduC812单片机控制系统的开发通过1 k电阻接地,这样,只要在上电复位前,选择跳线器的状态就可以决定上电后,芯片是进入工作状态还是进入编程状态。连接上位机和单片机之间的串行线也可以作为单片机正常工作时,单片机和上位机之间的串行数据线。3.1.2 ADuC812的系统开发(1)硬件设计根据AduC812的特点,硬件设计中需要注意的问题有ADuC812采用的是52引脚塑料四方型扁平封装(S-52),引脚之
16、间的间距为0.65 mm,和ADuC812相连的印制版线路不能大于引脚自己的宽度0.1 mm(14 mil),所以对印制电路板制造和焊接工艺都有一定的要求,特别是采用手工焊接时,最好请专门的焊接师。A/D、D/A转换时,芯片自己提供的基准准电压为2.5 V,如果外接基准电压则不能超过5 V,对于12位ADC,转换灵敏度为0.5 mV/B。这对印制电路板抗干扰能力的要求比较高,要求电路板中A/D、D/A转换端的干扰电压要小于0.5 mV,否则会降低转换精度。ADuC812芯片对复位电路要求比较严格,不能采用普通的电阻-电容式复位电路,否则上电后,单片机不工作,程序无法下载。一般要求采用专门的复位
17、电路芯片,注意到ADuC812是高电平复位,以选X5045芯片为宜,如果采用X5043就要先通过一个非门电路再接到单片机的复位端。虽然ADuC812有自己的看门狗电路,但是,一般单片机自带的看门狗并不能很好地保证工作的稳定性,外接X5045还可以起到看门狗的作用。(2)软件设计ADuC812单片机程序代码可以用汇编语言编写,也可以用C语言编写,在普通的编辑环境下(如DOS中的EDIT编辑环境中)编辑好后,再用QuikStart软件包提供的汇编编译器或C编译器进行编译。QuikStart软件包中的可执行程序都是构建在DOS平台上的,要在DOS环境下运行这些软件。在用到A/D转换结果时要注意ADu
18、C812单片机的A/D原始转换结果,由于干扰的原因,有时候会达不到12位精度要求,所以对A/D转换的结果要进行低通滤波处理后再使用,可以取多次转换的平均值作为A/D转换的实际结果去进行其他的计算。实例表明,只要硬件和软件设计得当, A/D、D/A转换完全可以达到12位精度。程序代码下载的步骤为:在所有硬件都准备好后,首先用编译器(汇编器为ASM51.EXE)把在其他编译环境中编写好的ASM文件编译成后缀为HEX的文件;然后用Download执行程序对编译好的HEX文件进行处理,就可以把代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中。在DOS环境下,以上两步的命令如下:ASM51 *.ASM
19、DOWNLOAD *.HEX3.2 温度检测元件的选择温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段： 1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。2.模拟集成温度传感器/控制器。 3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。温度传感器的分类 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种
20、测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 温度传感器的发展 1.传统的分立式温度传感器热电偶传感器 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800
21、。 2.模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。 模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。 热电偶是一种感温元件,是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时
22、,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。 编辑本段工作原理两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）
23、两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：1：热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；2 ：热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和
24、两端的温差有关；3：当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。 编辑本段特点装配简单，更换方便压簧式感温元件，抗震性能好 测量范围大 机械强度高，耐压性能好 编辑本段热电偶 - 种类及结构形成（1）热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调
25、用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。(2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与
26、有害介质充分隔离。 编辑本段常用热电偶材料热电偶分度号 热电极材料 正极 负极 S 铂铑10 纯铂 R 铂铑13 纯铂 B 铂铑30 铂铑6 K 镍铬 镍硅 T 纯铜 铜镍 J 铁 铜镍 N 镍铬硅 镍硅 E 镍铬 铜镍热电偶的种类:装配热电偶，铠装热电偶，端面热电偶，压簧固定热电偶，高温热电偶，铂铑热电偶，防腐热电偶，耐磨热电偶，高压热电偶，特殊热电偶，手持式热电偶，微型热电偶，贵金属热电偶等等。K型热电偶也即镍铬镍硅热电偶,常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。 热电偶的原理：它是将两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，称为热端，另
27、一端为冷端。当冷端和热端温度不同时，在回路中就会产生一定方向和大小的电势，如此使冷端温度不变，则热电势只与另一端温度相关，这样，只要测得热电势的大小即可知道温度的大小。 所以热电偶的电流可以不考虑，测量它的毫伏电势就行啦。 K型热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，约为0.041mV/度，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但
28、完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。其中K型也即镍铬镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。先确定热电偶的外观没有问题，是好是坏，得通过检测才能确定。
29、 将待测热电偶穿上热电偶专用的瓷套管，和标准铂铑热电偶一起放入管式电炉中，将热端插入管式电炉中的一个多孔的均热用的金属镍制成的圆柱体中。将各自的补偿导线的冷端放入由冰水混合物保持的零摄氏度的容器中。 将管式电炉保持在该热电偶的许用最高温度，并稳定保持这个范围。这时候用经过检测合格的惠司登电位差计，测出标准热电偶和待测热电偶产生的热电势差并记录。 根据记录的热电势差，查表查出各自对应的温度，如果待测热电偶超差，可以判定为不合格。 这种管式电炉，不是分析化学用的硅碳棒管式电炉。 对于不合格的热电偶，可以从热端切断一小段，重新焊接。焊接的方法很简单，对普通的镍铬热电偶，可以用自耦变压器调至较低电压，
30、用热电偶的两根丝并成一极，另一极用碳棒，直接引燃电弧，两根热电偶丝会在头上熔成一个小球状。这种操作不难，可以调整电压，很快就会掌握。这种焊接使用的是自耦变压器，千万注意绝缘以保安全。 对贵重的铂铑热电偶的焊接，是另一种方法。将调压后的电源一极插入氯化钠水溶液，另一极是拧在一起的热电偶，用绝缘钳夹住热电偶，轻点溶液表面，热电偶两端就能够熔合。 这两种焊接方式，要注意安全和练习，容易掌握的。 重新焊接的热电偶，可以再检测，确定合格与否。3.3 PID算法介绍什么是PID控制？ 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能
31、控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intel
32、ligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID 控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统 开环控制系统(open-loop
33、 control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，
34、眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳
35、态误差来(Steady-state error) 描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。 4、PID控制的原理和特点 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，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
36、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。 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（Steady-state error）。 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 Steady-state Error）。为了消除稳态误差，
37、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
38、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。 5、PID控制器的参数整定主要方法 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
39、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
40、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。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整PID的大小。 书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低 这里介绍一种经验法。
41、这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。 这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。 经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数，反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。 下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 【1】让调节器参数积分系数S0=0，
42、实际微分系数k=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数S1，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。 【2】取比例系数S1为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数S0，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 【3】积分系数S0保持不变，改变比例系数S1，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数S1增大一些，再调整积分系数S0，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数S1和积分系数S0为止。 【4】引入适当的实际微分系数k和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数S1和积分系数S0。和前述步骤相同，微
43、分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 注意：仿真系统所采用的PID调节器与传统的工业 PID调节器有所不同，各个参数之间相互隔离，互不影响，因而用其观察调节规律十分方便。 PID参数是根据控制对象的惯量来确定的。大惯量如：大烘房的温度控制，一般P可在10以上,I=3-10,D=1左右。小惯量如：一个小电机带 一水泵进行压力闭环控制，一般只用PI控制。P=1-10,I=0.1-1,D=0,这些要在现场调试时进行修正的。 我提供一种增量式PID供大家参考 U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) A=Kp(1+T/Ti+Td/T) B=Kp(1+2Td/T) C=KpTd/
44、T T采样周期 Td微分时间 Ti积分时间 用上面的算法可以构造自己的PID算法。 U（K）=U（K-1）+U（K）第四章 系统设计4.1 硬件电路设计4.1.1温度检测电路本系统采用（K分度）热电偶作为温度传感器，由此构成的检测电路如图10.0所示。由热电偶的特性知，进入方法器的电压信号实为热电偶冷热端温差引起的电压差信号。冷端处于室温，热端处于工作环境，单片机的A/D通道可以直接采集热电偶信号，经K分度查表后则可以得到温度值，但这并不是实际测量点的温度，还必须加上室温的温度补偿才能准确计算出所需要的温度。室温的测量可以通过AD590将室温变化为电压信号，经放大后直接送给单片机A/D通道，单
45、片机程序自动完成热偶信号的采集和冷端信号的采集，计算出实际的温度测量值。图2一3 温度检测电路4.1.2温度控制原理对于电热加温的温度控制可以采用移相控制或周波控制方式。移相控制方式是通过改变可控硅的导通角来控制输出电压，从控制加热对象的温度，控制电路相对复杂，但控制精度比较高。周波控制方式的输出电路如图10.3所示，他实际上是通过调节一定时间的循环周期内的供电时间比例来控制加热对象在本周期内获得的电能，从而控制其温度。由于控制加温的时间比例实现起来相对简单，因此周波控制方式在温度控制系统获得了比较广泛的应用。本系统确定采用周波控制方法。图2一4周波控制方式的输出电路由图2一4可知，CPU的I
46、/O脚输出低电平时，SSR给加热元件接通220V交流电源，加热元件获得电能，温度升高；I/O脚输出高电平时，SSR开路，加热元件两端无电压，停止加热，如温度高于环境高温，则对象的温度开始下降。采用时间比例控制的具体方法是：设定一个标准的加温周期T，以T为周期对温度进行采样，获得温度测量值；根据设定值和测量值的偏差，进行PID运算；将PID的输出转换为SSR的通断时间。PID的输出为0%，则SSR接通时间为0。即本周期无输出；如果PID输出为100%，则SSR接通时间为T，即本周期为全输出；如果PID的输出为MV，则SSR的接通时间为TXMV/100，断开时间为T-TXMV/100。例如：T=1
47、20秒，PID计算结果为1分30秒，则本次2分钟内就应加温90秒，挺30秒；又如T=120秒，PID的计算结果为1分25秒，则本周期就应加温85秒。停35秒。4.1.3 PID控制算法的实现PID算法有位置式和增量式两种，增量式PID算法得到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量的基础上需要增加的控制量。例如，在可控硅电机调试系统中，控制量的增量意味着可控硅的触发相位在原有的基础上需要提前或滞后的量；位置式酸法则表现为当前的出发相应应该在什么位置。又如在温度控制系统中，增量式算法则表现为在上次通电时间比例的基础上，还需要增加或减少的通电时间比例；位置式算法则直接指明本周期内要通电多长时间。本系统采用的位置式PID算法。标准的直接计算公式：Pout(t)=Kp*e(t)+KixSum_e(t)+Kd*(e(t0-e(t-1);其中，e(t)为基本偏差，表示当前测量值与设定目标间的差值，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到设定值，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+.+e(1)是每次偏差值的代数和，是面向积分项用的一个变动数据。基本偏差的相应偏差e(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差减去上一次的