基于pid算法的速热式饮水机控制器设计毕业设计论文.doc

西南科技大学自学考试毕业论文设计西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）任务书 题目名称基于pid算法的速热式饮水机控制器设计学生姓名 准考证号 题目来源教师科研 社会实践实验室建设 其它题 目 类 型理论研究 应用研究设计开发 其它选题背景及目的速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善，但对于温差比较大的环境下，出水温度仍存在较大误差 。工作任务及要求时间安排以上内容由指导教师填写指导教师签 字教师姓名：年 月 日助学点审核审核意见： 组长签字： 年 月 日学生接受任务签字接受任务时间：2015 年 12 月 11 日 学生签名： V西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）申报表 学生姓名何登旭性别男年龄20准考证号 学生住址联系电话 毕业设计（论文）题目名称基于pid算法的速热式饮水机控制器设计拟请指导教师 指导教师职称信息工程系讲师指导教师电话 指导教师单位绵阳市职业技术学院选题背景及目的速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善，但对于温差比较大的环境下，出水温度仍存在较大误差。工作任务及要求时间安排助学中心评审意见主考院校评审意见西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）进度检查及成绩评定表日期工作内容执行情况指导教师签字学生姓名何登旭专业班级电信142准考证号070115337545成绩汇总评分项目评分比例（）分数总分指导教师评分40评阅教师评分30答辩小组评分30指导教师毕业设计（论文）过程评语评分签字： 年 月 日评阅教师毕业设计（论文）成果评语评分签字： 年 月 日答辩组毕业设计（论文）答辩评语评分签字： 年 月 日主考院校评审意见签章 年 月 日基于pid算法的速热式饮水机控制器设计摘要：针对目前市场上的速热式饮水机存在的温度控制问题和干烧现象，设计基于STC15F204单片机的温控系统，以水箱水温、出水水温、电源电压和水流量为反馈量的PID控制，结合外围控制电路，实现对饮用水的快速加热和水温的控制。重点介绍了控制器硬件电路的设计和工作原理以及程序的结构和实现，速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，目前市场上销售的速热式饮水机一般采用分档控制电机转速调节加热，使用的是开环控制系统，通过恒定电机的功率控制水温，此种加热方式出水温度容易受水压以及室温的影响。某些速热式饮水机为了达到稳定的水温输出效果，采用了一种简单的闭环控制系统，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善。关键词：即热式；温度控制；PID控制；温控系统Design of Controller for Instant Water Heater Based on PID ControlAbstract:This paper designs a new digital intelligent instant water heater control system. Aim at the problemsof temperature control and the dry burning phenomenon exiting on the markets, design a temperature control systembased on STCF204 microchip, and PID control with the feedback quantities of water temperature before heated,water temperature after heated, supply voltage and water flow. Combine with the peripheral control circuits, controlthe heat velocity and the water temperature. The paper mainly describes the hardware circuits and the softwareprograms of the system.Key words: instant heat; temperature control; PID control第1章 绪论1.1课题背景及研究目的和意义随着现代工业技术的不断发展，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（intelligent 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。有利用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。本设计MCU选择STC15F204，自带10位AD转换。其他还包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热电路，数据采集包括对水温、电压、和水流量的数据采集，显示电路用LCD1602，显示当前水箱水温、水流量、出水水温、电压值等，键盘则用来设置加热水温、最低水温、最高水温等值。第2章 速热式饮水机控制器设计的系统方案2.1控制系统设计原理及分析针对控制系统对加热后的水温的控制受加热前水温、水压、水流量以及电源电压的影响，本文设计的闭环控制系统以出水温度为反馈量，以水箱水温、电源电压和水流量为前馈量，减小上述外界的干扰因素的影响。控制系统原理如图2.1.1所示。图2.1.1 控制器工作原理框图2.2硬件电路设计速热式饮水机控制器选用STC15F204单片机作为处理器，该单片机由宏晶公司设计生产，是一款以51为内核的8位高速低耗8051单片机，拥有8路高速10位A/D转换，大大简化了本控制器硬件电路的设计。硬件电路包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热控制电路。2.2.1功率电路功率电路用于给控制电路提供电源 ，STC15F204芯片电源电压为5V直流电压，整流桥电路较220V交流电转换为直流电压，用AP8022开关电源控制器，将220V电压转换为5V电压，功率电路图如图2所示。图2 功率电路原理图2.2.2数据采集电路数据采集电路包括对水温、电压和水流量的数据采集。温度采集通过热敏电阻与分压电阻串联，接入单片机接口，由于STC15F204单片机拥有高速A/D转换接口，单片机可直接进行A/D转换，因此无需再设A/D转换电路。热敏电阻的阻值与温度值的关系函数应用最下二乘法求得，因此水箱温度和加热后水温的数值直接根据热敏电阻采样值求出。电压采集电路为二极管半波整流电路，通过电阻分压和电容滤波直接采集得到。水流量采集电路通过采集涡轮式流量计的转速求得。如图3所示，左图为温度采集电路，右图为电压采集电路。a) 温度采集电路 b) 电压采集电路图3 数据采集电路原理图2.2.3显示电路和键盘电路为方便用户对速热式饮水器的使用，本文设计了控制器的显示电路，显示电路主要由LED数码管和LED灯组成，两对LED数码管用于显示用户的目标温度和实际的水温度，LED灯用于指示电源、儿童锁、警报等信号。为简化硬件电路，本设计的键盘电路的四个按键共用一个单片机接口，四个按键通过串联不同阻值的电阻共同接于单片机A/D接口，单片机A/D通过检测不同电压值判断按下的按键。2.2.4 加热控制电路加热控制电路由继电器、直流电机、三极管开关电路等组成，继电器控制加热板电热膜的开关，三极管开关电路与单片机接口相连，通过单片机输出不同频率的脉冲信号控制直流电机的转速，从而控制水箱中的饮用水进入加热板电热膜的水流量，进而控制出水温度。加热控制电路原理图如图4所示。图4 加热控制电路原理图2.3 温度控制算法实现温度控制算法程序主要包括主程序和中断控制程序，其中主程序包括数据采集子程序、LED显示子程序、按键程序、PID控制子程序等。数据采集子程序主要对水温、电压和水流量进行采集；LED显示子程序负责在LED数码管和LED等上显示当前的水温、目标水温、加热状态、出水量和报警信号；按键程序的四个按键包括电源开关、温度选择、儿童锁和出水按键；PID控制子程序负责调节电机的转速，保持温度稳定在用户的设定值。温度控制流程图如图5所示。温度控制依据所采集的实际水温和目标温度之差来调节电机的转速，从而控制饮用水流经加热板的速度，调节出水温度。温度控制系统的核心是PID控制，如图 所示，控制系统通过采集出水温度与目标温度值进行比较，然后依据入水温度、水流量和电源电压值进行比例积分微分运算。这里被控对象传递函数为 ，去目标温度为50 o C，T=50，=0.3，经计算，增益系数K=8，比例参数kp=5，积分参数ki=0.1，微分参数kd=2；为了验证系统的可行性，在MATLAB/Simulink软件中进行仿真实验，其中，闭环控制环节可以用一阶滞后环节来近似代替，如图6所示为仿真框图，得到如图7所示的仿真结果，图7中图a)为目前市场上所用的控制器的仿真结果，图b)为基于本文所设计的PID算法的控制器。图5 温度控制流程图图6 PID控制仿真结构图从仿真结果可以看出，对于给定的控制对象，所设计的PID温度控制器能更快地得到稳定的出水温度，较常规的单反馈量PID控制算法，能更有效地实现快速稳定地控制速热式饮水机的加热工作。第3章 控制方案3.1 PID控制PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。3.1.1 PID技术简介PID控制器（Proportion Integration Differentiation。比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。一个控制回路包括三个部分： 系统的传感器得到的测量结果 控制器作出决定 通过一个输出设备来作出反应 控制器从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差。然后用误差来计算出一个对系统的纠正值来作为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。在一个PID回路中，这个纠正值有三种算法，消除目前的误差，平均过去的误差，和透过误差的改变来预测将来的误差。PID控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被控制变量。比如，它可以用来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。汽车上的巡航定速功能就是一个例子。一些控制系统把数个PID控制器串联起来，或是链成网络。这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。一个常见的例子是马达的控制。我们会常常需要马达有一个控制的速度并且停在一个确定的位置。这样呢，一个子控制器来管理速度，但是这个子控制器的速度是由控制马达位置的主控制器来管理的。连合和串联控制在化学过程控制系统中是很常见的。3.1.2 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。3.1.3 智能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。3.2 PID基础算法PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10%，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。 积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。导数 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。 用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。3.3 PID调试方法PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可 取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法积算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈 信号。PID光柱显示控制仪集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量 值及控制目标值进行数字量显示（双LED数码显示），并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示（ 双光柱显示），显示方式为双LED数码显示+双光柱模拟量显示，使测量值的显示更为清晰直观。PID参数自整定控制仪可随意改变仪表的输入信号类型。采用 最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开 关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。 PID参数自整定控制仪支持多机通讯，具有多种标准串行双向 通讯功能，可选择多种通讯方式，如RS-232、RS-485、RS-42等，通讯波特率3009600bps 仪表内部参数自由设定。可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC 等）进行通讯，构成管理系统。3.3.1 PID比例系数的调节比例系数P的调节范围一般是：0.1-100.如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小，再调节积分或微分系数。过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。3.3.2 积分系数的调节积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为 1秒，则输出变化 100%所需时间为 1 秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。3.3.3微分系数的调节微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。3.4 PID控制规律最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。如比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-积分-微分（PID）控制等。3.4.1比例（P）控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太小，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍小些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选大一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。3.4.2比例积分（PI）控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。所以，实用中一般不单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。这样取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消除余差的能力。因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。3.4.3比例微分（PD）控制比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。所谓“时间滞后”指的是：当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟，比如容量滞后，此时比例积分控制显得迟钝、不及时。为此，人们设想：能否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？犹如有经验的操作人员，即可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。这就是具有“超前”控制作用的微分控制规律。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。只与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。如果偏差为一固定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制作用。微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之则越弱。当微分时间为0时，就没有微分控制作用了。同理，微分时间的选取，也是需要根据实际情况来确定的。作用的特点是：动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。3.5参数整定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。 3.6 PID控制的发展 PID控制8是最早发展起来的控制策略之一，现今使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛应用。据统计，有90%以上的工业控制器采用PID控制器。 PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。3.6.1 PID控制理论PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)： e(t)=r(t)-y(t) ( 41)将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。PID控制系统原理如图41所示。 图41 PID控制系统原理框图其控制规律为 (42)或者写成传递函数的形式为 (43)式中 ：比例系数； ：积分时间常数； ：微分时间常数PID控制器各校正环节的作用如下：1.比例环节：比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)；2.积分环节：积分环节的引入主要用于消除静差； 3.微分环节：微分环节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度。3.6.2 PID控制算法 由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，(32)式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，做如下的近似变换： t=KT (34) (35) (36)其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，。 将上面的(35)式和(36)式代入(32)式，则可以得到离散的PID表达式 (37)如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过与连续控制过程十分接近。通常把(37)式称为PID的位置式控制算法。若在(37)式中，令： (称为积分系数) ； (称为微分系数)则 (38)(38)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(38)式作如下的变动：考虑到第(k-l)次采样时有 (39)使(38)式两边对应减去(39)式，得 整理后得 (310) 其中，(310)式就是PID位置式得递推形式。如果令则 (311)式中的同(4.11)式中的一样。 因为在计算机控制中、都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得e(k)、e(k-l)、e(k-2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(411)式通常被称为PID控制的增量式算式。本系统的控制算法即采用增量式的PID控制算法。其程序流程图如图32所示。附录中给出了本系统的PID控制算法源程序。图32 增量式PID控制算法程序流程图第4章 系统总体设计方案4.1 系统硬件总体结构图4.1 硬件总体结构框图4.2主控模块器件选型及设计4.2.1 单片机的选用对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：(1)单片机的基本性能参数；(2)单片机的增强功能；(3)单片机的存储介质；(4)芯片的封装形式；(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级；(6)单片机的工作电压范围；(7)单片机的抗干扰性能好；(8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；(9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。 根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。4.2.2 STC15F204EA概述STC15F204EA单片机是宏晶科技推出的新一代超低价A/D转换单片机单片机，1个时钟/机器周期，高速、高可靠，8路10位高速A/D转换，内部高精度R/C时钟，±1%温飘，彻底省掉外部昂贵的晶振，5MHz35MHz宽范围可设置。 高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快612倍 宽电压：5.5 3.8V，2.4 3.6V(STC15L204EA系列) 低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式(可由外部中断唤醒) 内部高精度R/C时钟，±1%温飘(-40 +85)，常温下温飘5，时钟从5M 35MHz可选 内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压复位，彻底省掉外部复位电路 支持掉电唤醒的管脚：INT0 / INT1(上升沿下降沿中断均可)，INT2 / INT3 / INT4(下降沿中断) 工作频率：5M 35MHz，相当于普通8051：60M 420MHz 1K/2K/3K/4K/5K/6K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上 256字节片内RAM数据存储器 芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上 ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器 8通道，10位高速ADC，速度可达30万次/秒，2路定时器还可当2路PWM或D/A使用 2个16位可重装载定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，并可实现时钟输出和PWM功能 可编程时钟输出功能，T0在P3.5输出时钟，T1在P3.4输出时钟 硬件看门狗(WDT) 串口功能可由P3.0/INT4,P3.1结合定时器实现 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令 通用I/O口(26个)，复位后为： 准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过90mA4.2.3 PIC18F4680 10位A/D转换10位模数转换器（A/D）模块PIC18F2X8X器件的A/D转换模块有8路输入，PIC18F4X8X器件的A/D转换模块有11路输入。该模块能将一个模拟输入信号转换成相应的10位数字信号。此模块有五个寄存器：A/D转换结果高位寄存器（ADRESH）A/D转换结果低位寄存器（ADRESL）A/D转换控制寄存器0（ADCON0）A/D转换控制寄存器1（ADCON1）A/D转换控制寄存器2（ADCON2）ADCON0寄存器（如寄存器4-1所示）控制A/D模块的工作。ADCON1寄存器（如寄存器4-2所示）配置端口引脚功能。ADCON2寄存器（如寄存器4-3所示）配置A/D时钟源、可编程采样时间和输出结果的对齐方式。寄存器19-1 ADCON0