1引言

溫度在工業(yè)控制中是個很重要的參數(shù)，特別在冶金、機械、食品、化工等工業(yè)中，對工件的處理溫度都要求嚴格控制，對于溫度的精確度和穩(wěn)定性均有較高的要求。模糊控制雖然能夠得到較好的動態(tài)響應特性，但模糊控制也存在固有的缺點，容易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起誤差。而數(shù)字PID控制則能夠較好地解決控制精度的問題，并且計算機能夠用程序既簡單又方便地實現(xiàn)數(shù)字PID控制規(guī)律，對精度調(diào)整起來也很方便。本文設計了一種基于數(shù)字PID算法的溫度控制系統(tǒng)，用AT89S52作為控制內(nèi)核，并采用了數(shù)字PID算法結(jié)合積分分離方法對電阻爐溫度進行控制，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。此系統(tǒng)還設計了單片機與上位機的通信，實現(xiàn)了遠程溫度控制。這種方案可大大地提高工作效率和控制精度，有助于自動化水平的提高，具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。

2爐溫控制的工作原理

工作原理：當采樣周期到達時，由熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度，經(jīng)過放大電路將溫度值轉(zhuǎn)換為0-4V的電壓信號，再由A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機采集后與設定溫度進行比較，根據(jù)偏差信號進行PID控制運算，得出相應控制輸出量，將控制輸出量輸出到執(zhí)行機構(gòu)進行加熱，從而控制電阻爐內(nèi)溫度，使電阻爐的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。系統(tǒng)時刻檢測爐內(nèi)溫度值，出現(xiàn)異常時啟動蜂鳴器報警。

3系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計主要包括單片機的最小系統(tǒng)、溫度采集電路、8155擴展電路、液晶顯示接口、鍵盤接口、蜂鳴器報警電路以及串口通信等。圖1中ArI‘89S52為主控制器件，AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含有8K字節(jié)的EPROM和256字節(jié)的RAM.本系統(tǒng)采用8 155A芯片來擴展鍵盤和液晶顯示，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809以及MAX232實現(xiàn)RS一232C標準接口通信電路。以下是各部分電路功能：

（1）AT89S52單片機

AT89S52是整個系統(tǒng)的CPU，單片機首先根據(jù)已經(jīng)測量的電壓值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應的控制輸出量，將控制輸出量輸出去控制加熱器工作，從而實現(xiàn)溫度控制。AT89S52還負責按鍵處理、液晶顯示以及與上位機進行通信等工作。

圖1控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

（2）數(shù)據(jù)采集電路

本系統(tǒng)采用K型熱電偶作為高溫測量傳感器，其測溫范圍為0℃~1700℃，溫度變化1 oC，可產(chǎn)生40“v左右的電壓。熱電偶冷端溫度補償采用電橋補償法，利用不平衡電橋產(chǎn)生的電動勢補償熱電偶因冷端波動引起的熱電動勢的變化。運算放大器采用低漂移高精度的芯片OP07.

單片機接口技術比較精確，由OP07放大器將信號放大，當溫度從0℃~500.C變化時輸出的電壓范圍為0-4V之間。由于溫度信號為緩慢變化的信號，對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高，可選用價廉的集成A/D芯片ADC0809.ADC0809是一種8路模擬輸入8位數(shù)字輸出的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時間為100us.ADC0809將經(jīng)過OP07放大的電壓值轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字量，通過P0口送給單片機。

（3）蜂鳴器報警電路蜂鳴器報警電路由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機I/O口輸出信號控制晶體管的導通或截止，晶體管導通，則蜂鳴器報警。通過單片機來控制蜂鳴器產(chǎn)生報警聲音。

（4）按鍵處理、液晶顯示鍵盤主要負責溫度控制范圍和PID控制參數(shù)的輸入；液晶顯示器采用LCMl28X64液晶顯示模塊，把溫度控制結(jié)果顯示在液晶屏上。

（5）驅(qū)動電路驅(qū)動電路采用繼電器驅(qū)動方式。通過控制繼電器在控制周期內(nèi)通斷的時間，實現(xiàn)對加熱器的開關式控制。由單片機I/O口輸出的控制信號，經(jīng)NPN晶體管放大，驅(qū)動繼電器工作。

4軟件設計

本系統(tǒng)需要實時采集溫度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存入AT89S52的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，送液晶顯示，并與設定值進行比較，經(jīng)過PID算法得到控制量并由單片機輸出去控制加熱器。進行溫度控制程序的設計應考慮如下問題：①溫度采樣，數(shù)字濾波；②PID控制程序；③按鍵處理，液晶顯示；④越限報警和處理；⑤與上位機通信程序。

（1）PID控制程序PID是對系統(tǒng)進行線性控制的一種控制器。所謂PID控制，就是按設定值與測量值之問偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制。經(jīng)典的數(shù)字PID增量型算式為：

（1）其中Kp為比例系數(shù)，瓠為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法由軟件實現(xiàn)，增量PID算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。但是對于溫度這種響應緩慢、滯后性大的過程，不能用標準的PID算法進行控制。當擾動較大或者給定的溫度值大幅度變化時，由于產(chǎn)生較大的偏差，加上溫控本身的慣性及滯后，在積分作用下，系統(tǒng)往往產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的振蕩。因此，為克服這種不良的影響，采用積分分離法對增量PID算法進行改進。當偏差e（I【）較大時，暫時取消積分作用；當偏差e（k）小于某一設定值M時，才將積分作用投入。

①當le（k）l》M時，用PD控制。由于偏差大，說明系統(tǒng)溫度遠離設定值，應快速加熱，采用PD控制，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，減小動態(tài)誤差。PD控制算式為Au（k）=K，{k（t）一e（k一1）J+;}k（女）一2e（k-1）+e（k一2）J） （2）②當le（k）l《M時，用PID控制。偏差小，說明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設定值，此時加入了積分作用，可以消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。

（2）主程序流程圖如圖2所示

圖2主程序流程圖。

（3）PID參數(shù)的整定

數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定是一項十分復雜的工作，必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定控制器的參數(shù)Kp、Ti、Td及采樣周期T.在本系統(tǒng)的設計過程中，首先根據(jù)Ziegler和Nichols提出的參數(shù)整定方法（表1）對各參數(shù)進行整定，得到一個初始值，然后在實際操作中進行修訂，直至最終滿足要求為止。

表1由Ziegler和Nichols閉環(huán)整定方法得到的調(diào)節(jié)參數(shù)。

其中Ku為臨界增益，Tu為臨界振蕩周期，這兩個值均是由純比例器的作用下產(chǎn)生等幅振蕩時的臨界值。

5溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試

通過對電阻爐加熱實驗，對溫控系統(tǒng)進行調(diào)試。溫度設定值為300℃，由于溫度為響應慢、滯后較大的被控對象，采樣周期T應選得長些，取T為10秒，繼電器控制周期與采樣周期一樣為10秒，M設定為20℃。改變PID參數(shù)，通過實驗得到如下結(jié)果：

①當Kp=10，Ti=l，Td=1時，系統(tǒng)的上升到設定值的時間較短，但系統(tǒng)超調(diào)量大，溫度最大值接近350℃，而且振蕩時間也較長。

②實驗所用的電阻爐在純比例器的控制作用下，Ku=14，Tu=lO.用Ziegler和Nichols提出的參數(shù)整定方法對PID參數(shù)進行整定，有Kp=8.4，Ti=5，Td=1.2，用此參數(shù)重新對電阻爐進行加熱控制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)量變小，經(jīng)過小幅振蕩后趨向穩(wěn)定，達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較短。

③在②的基礎上根據(jù)實際情況調(diào)整控制參數(shù)，尋求最佳的PID控制參數(shù)組合。由②的結(jié)果可以預見，應適當減少Kp值，以減少超調(diào)量；增大Ti值使得偏差補償不至于太大；增加Td值以增加對溫度反應的敏感性。經(jīng)過不斷的實驗驗證，最終將控制統(tǒng)參數(shù)定為Kp=7.6，Ti=5.2，Td=1.5.用此參數(shù)控制實驗電阻爐，系統(tǒng)的過渡過程具有單調(diào)上升的特性，可以達到消除系統(tǒng)的超調(diào)輸出，獲得更短的過渡過程時間。當溫度稍微低于設定的3000C時，由于PID的控制作用，溫度總在設定值做上下波動，誤差很小，可以控制在±1℃以內(nèi)，最終可使溫度控制在300±1℃。溫度變化曲線如圖3所示。

6監(jiān)控軟件的運行

在本溫控系統(tǒng)中，。以單片機AT89S52作為下位機，Pc機作為上位機，下位機與上位機通過串I:1進行通信。運行上位機的監(jiān)控軟件后，選擇開始通信按鈕便與下位機建立了通信，可以對，下位機的狀態(tài)進行監(jiān)控。遠程監(jiān)控的軟件上顯示溫度實際值的數(shù)字與曲線。

圖3監(jiān)控軟件的運行

圖3是在溫度設定值為300.C時軟件運行的曲線圖，屏幕上顯示的為加熱過程的溫度變化曲線，曲線動態(tài)隨著下位機的溫度實際值的變化而變化，在左邊顯示的坐標值是當前溫度的實際值。

在實際的操作過程中需要對異常的情況進行報警。圖3中在溫度上限、下限設定值輸入了320和280，表示溫度高于320℃（加熱過程）或者低于280.C（降溫過程）則系統(tǒng)通過蜂鳴器報警。

7總結(jié)

本文介紹了一種基于單片機的數(shù)字PID算法對溫度進行控制，軟件采用c語言編寫，編程簡單靈活，通過對PID算法中各控制參數(shù)的整定和采用積分分離方法，消除了系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，實現(xiàn)了對溫度的精確控制。此系統(tǒng)不但現(xiàn)場有溫度液晶顯示和按鍵控制，還實現(xiàn)了遠程的溫度顯示與控制，單片機將測得的溫度值通過串口傳遞給上位機，使用戶能夠隨時對溫度進行監(jiān)控。經(jīng)過實驗驗證，該溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、測溫準確，具有一定的實際應用價值。