PID溫度控制系統(tǒng)范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了PID溫度控制系統(tǒng)參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

關(guān)鍵詞：溫控系統(tǒng)單片機(jī)pid控制

論文摘要：實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)的先進(jìn)性。介紹以單片機(jī)為核心的PID控制溫度控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方案。

中圖分類號：TP273+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

0引言

控制儀表性能指標(biāo)對溫度控制有很大的影響，因此，常采用高性能調(diào)節(jié)儀表組成溫控系統(tǒng)對被控對象（溫度）進(jìn)行嚴(yán)格控制。本文介紹以單片機(jī)AT89C51為核心器件構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，它具有測量、控制精度高、成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可制成單機(jī)，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、食品加工等行業(yè)對溫度進(jìn)行精確控制。

1溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電偶測量出電爐的實(shí)際溫度（mv信號），經(jīng)放大、線性化、AD轉(zhuǎn)換處理后送入單片機(jī)接口。由鍵盤敲入設(shè)定溫度值，此值與經(jīng)AD轉(zhuǎn)換過的爐溫信號存在一差值（假如兩者溫度不一致），由單片機(jī)PID調(diào)節(jié)電路進(jìn)行比例、微分及變速積分算法對溫控箱進(jìn)行恒溫控制。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的AT89C52單片機(jī)，其硬、軟件完全符合系統(tǒng)的要求，為滿足測控精確度的要求，AD電路選用12位轉(zhuǎn)換器，分辨率為2-12。本系統(tǒng)采用三相數(shù)字過零觸發(fā)器對六只晶閘管（Y△接法均可）進(jìn)行輸出功率控制，即在電源電壓過零時(shí)觸發(fā)晶閘管，利用PID信號產(chǎn)生的控制信號使電流每周期按規(guī)定的導(dǎo)通波頭數(shù)導(dǎo)通負(fù)載，達(dá)到控制輸出功率，也就是控制爐溫的目的。采用過零觸發(fā)可減少電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生，觸發(fā)器與單片機(jī)光電隔離，可減少電網(wǎng)對微機(jī)的干擾，調(diào)功方式下電加溫爐的平均功率為：P=3nU2NR(1)

式中：P為輸入電爐的功率；R為電爐的等效電阻；U為電網(wǎng)相電壓；n為允許導(dǎo)通的波頭數(shù)；N為設(shè)定的波頭數(shù)。

注：公式（1）為負(fù)載Y接法適用

2系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1PID參數(shù)的優(yōu)化系統(tǒng)采用遺傳算法（GeneticAlgorithm,簡稱GA）離線優(yōu)化PID參數(shù)[1]。20世紀(jì)70年代由美國J．Holland教授提出的遺傳算法（GA）[2]是一種模擬生物進(jìn)化過程的隨機(jī)化搜索方法。它采用多路徑搜索，對變量進(jìn)行編碼處理，用對碼串的遺傳操作代替對變量的直接操作，從而可以更好的處理離散變量。GA用目標(biāo)函數(shù)本身建立尋優(yōu)方向，無需求導(dǎo)求逆等復(fù)導(dǎo)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算，且可以方便的引入各種約束條件，更有利于得到最優(yōu)解，適合于處理混合非線性規(guī)劃和多目標(biāo)優(yōu)化。系統(tǒng)采用二進(jìn)制編碼選擇來操作，我們稱為染色體串（0或1），每個(gè)串表示搜索空間的一個(gè)點(diǎn)。它模仿遺傳進(jìn)化的步驟，引入如繁殖、交叉和變異的方法，在所求解的問題空間進(jìn)行全局的、并行的、隨機(jī)的優(yōu)化搜索[3]。

本系統(tǒng)用GA算法對PID離散化表達(dá)式[3]中的3個(gè)PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行離線優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。本例中用C語言編寫的算法流程圖如圖2所示。

取采樣周期：T=80s；GA離線優(yōu)化結(jié)果為：積分時(shí)間：TI=240s；微分時(shí)間：TD=80s；比例系數(shù)：KP=6；積分系數(shù)：KI=KPTTI=2；微分系數(shù)：KD=KPTDT=6。

2.2變速積分PID控制算法在傳統(tǒng)的PID算法中，因積分增益KI為常數(shù)，故在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中其值不變。但系統(tǒng)對積分的要求是：偏差大時(shí)，積分作用減弱，否則會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和；反之則加強(qiáng)，否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求[4]。引進(jìn)變速積分PID控制算法能使控制性能得以滿足。其基本思路為：偏差大時(shí)，積分累積速度慢，積分作用弱；偏差小時(shí)，積分累積速度快，積分作用強(qiáng)。為此，設(shè)置系數(shù)f[E(K)]，它是偏差E(K)的函數(shù)，當(dāng)[E(K)]增大時(shí)，f[E(K)]減??；反之則增大。每次采樣后，用f[E(K)]乘E(K)，再進(jìn)行累加：

PI(K)=KI{+f[E(K)]E(K)}(2)

式中：PI(K)表示變速積分的輸出值。

f[E(K)]與E(K)的關(guān)系可表示為：

E(K)≤B

B<│E(K)│≤A+B

∣│E(K)│>A+B

將P(k)代入PID算式，得：

P(K)=KPE(k)+KI{+f[E(K)]E(K)}+KD[E(k)-E(k-1)](3)

變速積分PID控制算法程序框圖如圖3所示。

在此系統(tǒng)中，采用簡單的變速積分PID控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取A=10，B=2效果良好。

2.3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在89C52單片機(jī)上，由單片機(jī)控制的主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調(diào)用。溫度信號的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、溫度顯示、變速積分PID控制算法等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對系統(tǒng)的保護(hù)和快速加溫的切換等。軟件流程圖如圖4所示。采樣周期通過AT89C52的定時(shí)器T0和軟件計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用10kw電阻爐將溫控對象從室溫加熱到300℃，并使?fàn)t溫保持在此溫度，溫度值上下波動(dòng)±0.5℃。測得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為：延遲時(shí)間td=150s，超調(diào)量σ=3.1℅，上升時(shí)間tr=650s，調(diào)節(jié)時(shí)間tc=320s。對于時(shí)間常數(shù)較大的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較好。

4結(jié)束語

基于PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有調(diào)試簡單、精度高、體積小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行且效率較高。硬件上采用單片機(jī)89C52，軟件上采用遺傳算法（GA）對PID參數(shù)離線優(yōu)化、變速積分PID控制算法進(jìn)行控制。