基于PID算法和89C52單片機的溫度控制系統(tǒng)

0 引 言
    溫控技術(shù)無論是在工業(yè)生產(chǎn)，還是日常生活中都起著非常重要的作用。在冶金、石油、化工、電力和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等行業(yè)，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一，在普通家庭里熱水器、電飯煲、電烤箱等依賴于溫控技術(shù)的家電設(shè)備也是必不可少。可以說溫度控制技術(shù)無處不在。
    常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點，超出設(shè)定允許范圍即進行溫度調(diào)控：低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實現(xiàn)簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達(dá)到穩(wěn)定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。
    而采用PID算法進行溫度控制，它具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點，特別適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。
    單片機作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，用單片機進行實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的控制精度，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。本系統(tǒng)采用單片機編程實現(xiàn)PID算法進行溫度控制。

1 PID控制的原理和特點
    在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)也難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。
    PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時問和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。
    PID一般算式及模擬控制規(guī)律如式(1)所示：
   
    式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差；KC為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；TI為控制器的積分常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)KC，TI，TD三個參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
    由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對式(1)進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：
   
    將式(2)和式(3)代入式(1)，則可得到離散的PID表達(dá)式：
   
    式中：△t=T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度(采樣定理)；E(K)為第K次采樣時的偏差值；E(K-1)為第K-1次采樣時的偏差值；P(K)為第K次采樣是調(diào)節(jié)器的輸出。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
    本系統(tǒng)由傳感器A／D采樣輸入、單片機控制、人機交互、控制信號輸出四部分組成，其中溫度傳感部分由測試采樣電路實現(xiàn)，人機交互由矩陣鍵盤和LCD液晶屏構(gòu)成，PID控制算法由89C52單片機實現(xiàn)，控制信號輸出部分則由功率放大和開關(guān)控制電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 主程序流程
    軟件程序是本控制系統(tǒng)的核心，它包括從溫度采樣到信號輸出的整個流程控制，其示意圖如圖2所示。

    程序功能主要由以下的幾部分組成：
    (1)初始化：設(shè)定各參數(shù)的初始值，設(shè)定各中斷及定時器。
    (2)接收／發(fā)射：此部分程序主要完成數(shù)據(jù)的控制及顯示，主要通過89C52單片機的全雙工串行口完成和鍵盤部分的雙向通信。
    (3)PC機通信：此部分完成與微機控制接口RS 232的連接及通信的控制。
    (4)數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序：由于主程序中用到了很多的數(shù)值轉(zhuǎn)換及數(shù)值的運算(如十進制轉(zhuǎn)換成十六進制、雙字節(jié)與單字節(jié)的除法運算等)，為了程序調(diào)用的方便，特將其編寫成子程序的形式。
    (5)PID算法。

4 實驗測試
    系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定度需要通過具體實驗測試完成?，F(xiàn)用1 kW的電爐將電熱杯中的1 L清水進行加熱。
    觀測設(shè)定值和實測值之間的誤差(當(dāng)水溫達(dá)到穩(wěn)定時的值)，計算絕對誤差和相對誤差，見表1。

    設(shè)定溫度為50℃，每隔30 s記錄實測溫度，如表2所示。

    從表2中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運行5 min時基本達(dá)到穩(wěn)定。

5 結(jié) 語
    由實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在±0．3℃，可見系統(tǒng)的精度很好。此外，系統(tǒng)運行5 min時溫度基本達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定所需時間較短。可以看出，基于PID算法的單片機溫度控制系統(tǒng)具有較高的精確度和穩(wěn)定性，在溫度調(diào)節(jié)階段平衡溫度時間較短。因此本系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種對精度要求較高的溫度控制場合。