基于PID算法和89C52单片机的温度控制系统

摘 要:温度控制系统广泛应用于工业生产中,但目前的温度控制系统很多不能达到很好的效果。单片机系统功能强大、使用灵活,可以实现较为精准的控制;而PID算法实现一种模糊控制,可调试性强;以89C52单片机为控制核心的PID温度控制能使系统具有较高的精确度和稳定性。通过原理分析、软硬件设计以及实验测试,表明该温度系统非常稳定并且精确,可广泛地应用于各类温控场合。

关键词:PID算法;温度控制;89C52单片机;参数整定

中图分类号:TP368.1 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-216-03

Temperature Control System Based on PID and 89C52

ZHANG Yanyan

(Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology,Bengbu,233000,China)

Abstract:The temperature control system is used widly in industry.But now the temperature control system is imperfect in industry.The system based on single chip computer has powerful function and easy to use,it can realize accurate control.PID-algorithm can realize fuzzy control.The system basd on PID-algorithm can be tested again and again.So the temperatuer system based on PID control and 89C52 single chip computer is very precise and steady.The theory,design and experiments show that the system can be used widely.

Keywords:PID-algorithm; temperature control;89C52SCM;parameter tuning

0 引 言

温控技术无论是在工业生产,还是日常生活中都起着非常重要的作用。在冶金、石油、化工、电力和现代农业等行业,温度是极为重要而又普遍的热工参数之一,在普通家庭里热水器、电饭煲、电烤箱等依赖于温控技术的家电设备也是必不可少。可以说温度控制技术无处不在。

常规的温度控制方法以设定温度为临界点,超出设定允许范围即进行温度调控:低于设定值就加热,反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低,但控制效果不理想,控制温度精度不高、容易引起震荡,达到稳定点的时间也长,因此,只能用在精度要求不高的场合。而采用PID算法进行温度控制[6],它具有控制精度高,能够克服容量滞后的特点,特别适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。

单片机作为控制系统中必不可少的部分,在各个领域得到了广泛的应用,用单片机进行实时系统数据处理和控制,保证系统工作在最佳状态,提高系统的控制精度,有利于提高系统的工作效率[7]。

本系统采用单片机编程[8]实现PID算法进行温度控制。

1 PID控制的原理和特点[9]

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,控制理论的其他技术也难以采用,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时,应用PID控制技术最为方便。

PID控制器的参数整定[9]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概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,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一般算式及模拟控制规律如式(1)所示:

u(t)=KCe(t)+1TI∫t0e(t)dt+TDde(t)dt

(1)

式中:u(t)为控制器的输出;e(t)为偏差,即设定值与反馈值之差;KC为控制器的放大系数,即比例增益;TI为控制器的积分常数;TD为控制器的微分时间常数。PID算法的原理即调节KC,TI,TD三个参数使系统达到稳定。

由于计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此在计算机控制系统中,必须首先对式(1)进行离散化处理,用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程,此时积分项和微分项可用求和及增量式表示:

de(t)dt霦(K)-E(K-1)Δt=E(K)-E(K-1)T

(2)

∫n0e(t)dt=∑nj=0E(j)Δt=T∑nj=0E(j)

(3)

将式(2)和式(3)代入式(1),则可得到离散的PID表达式:

P(K)=KP{E(K)+TTI∑kj=0E(j)+

TDT[E(K)-E(K-1)]}

(4)

式中:Δt=T为采样周期,必须使T足够小,才能保证系统有一定的精度(采样定理);E(K)为第K次采样时的偏差值;E(K-1)为第K-1次采样时的偏差值;P(K)为第K次采样是调节器的输出。

2 系统的硬件构成

本系统由传感器A/D采样输入、单片机控制、人机交互、控制信号输出四部分组成,其中温度传感部分由测试采样电路实现,人机交互由矩阵键盘和LCD液晶屏[7]构成,PID控制算法由89C52单片机实现,控制信号输出部分则由功率放大和开关控制电路组成[8]。系统框图如图1所示。

图1 温控系统框图

3 主程序流程

软件程序是本控制系统的核心,它包括从温度采样到信号输出的整个流程控制,其示意图如图2所示。

图2 控制系统流程图

程序功能主要由以下的几部分组成:

(1) 初始化:设定各参数的初始值,设定各中断及定时器。

(2) 接收/发射:此部分程序主要完成数据的控制及显示,主要通过89C52单片机的全双工串行口完成和键盘部分的双向通信。

(3) PC机通信:此部分完成与微机控制接口RS 232的连接及通信的控制。

(4) 数值转换子程序:由于主程序中用到了很多的数值转换及数值的运算(如十进制转换成十六进制、双字节与单字节的除法运算等),为了程序调用的方便,特将其编写成子程序的形式。

(5) PID算法。

4 实验测试

系统的性能与稳定度需要通过具体实验测试完成[10]。

现用1 kW的电炉将电热杯中的1 L清水进行加热。

观测设定值和实测值之间的误差(当水温达到稳定时的值),计算绝对误差和相对误差,见表1。

表1 误差分析表

序号设定温度 /℃实测温度 /℃绝对误差 /℃相对误差 /%

135.335.300

240.240.1-0.10.24

345.045.30.30.66

460.060.50.50.83

574.073.4-0.40.60

681.081.20.20.25

设定温度为50 ℃,每隔30 s记录实测温度,如表2所示。

表2 温度稳定度关系表(设定温度50 ℃)

测量时间 /min实测温度 /℃测量时间 /min实测温度 /℃

0.535.54.051.1

1.037.04.550.6

1.540.35.049.8

2.043.55.550.5

2.548.16.050.2

3.550.36.550.1

从表2中的数据可知,系统运行5 min时基本达到稳定。

5 结 语

由实验结果可以看出,系统的误差基本稳定在±0.3 ℃,可见系统的精度很好。此外,系统运行5 min时温度基本达到稳定,稳定所需时间较短。可以看出,基于PID算法的单片机温度控制系统具有较高的精确度和稳定性,在温度调节阶段平衡温度时间较短。因此本系统可以应用于各种对精度要求较高的温度控制场合。

参考文献

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[4]李俊婷,石文兰,高楠.参数自整定模糊PID在温度控制中的应用[J].无线电工程,2007(7):47-50.

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[6]张志良.单片机原理与控制技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[7]张德友,赵志英,涂时亮.单片微型机原理应用与实践[M].上海:复旦大学出版社,2003.

[8]吴金.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[9]曾光奇.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[10]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京:北京理工大学出版社,2003.

作者简介 张艳艳 女,1976年出生,安徽蚌埠人,硕士,讲师。从事应用电子方面的教学与研究工作。