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溫度控制技術不僅在工業生產有著非常重要的作用，而且在日常生活中也起著至關重要的作用。本文對系統進行硬件和軟件的設計，在建立溫度控制系統數學模型的基礎之上，通過對PID控制的分析設計了系統控制器，完成了系統的軟、硬件調試工作。算法簡單、可靠性高、魯棒性好，而且PID控制器參數直接影響控制效果。 1.系統概述 1.1 系統總體結構 該系統利用AT89S51豐富的外設模塊搭建硬件平臺。系統的硬件電路包括：模擬部分和數字部分，基本電路由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊及控制執行模塊等組成。 1.2 系統工作流程 系統開始工作時，首先由單片機控制軟件發出溫度讀取指令，通過數字溫度傳感器采集被控對象的當前溫度值并送顯示屏實時顯示。然后，將該溫度測量值與設定值T比較，其差值送PID控制器。PID控制器處理后輸出一定數值的控制量，經D/A轉換為模擬電壓量，控制被控對象進行加熱。 1.3 系統軟件設計方法 整個系統軟件設計包括管理程序和控制程序兩部分，管理程序包括LED顯示的動態刷新、控制指示燈、處理鍵盤的掃描和響應。控制程序包括A/D轉換、中值濾波、越限報警處理、PID計算等。 2.系統硬件結構 2.1 電源電路的設計 系統所用直流電源由三端集成穩壓器組成的串聯型直流穩壓電源提供。設計中選用了LM7805 LM7815和LM7915三個三端集成穩壓器，提供+5V直流電壓，輸出電流均為1A。變壓器將220V的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。電源電路圖如圖1所示。 圖1 電源電路圖 2.2 復位電路設計 單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統工作的可靠性。只有一個可靠的復位電路才能使系統避免出現了“死機”、“程序走飛”等現象。電路圖如圖2所示。 圖2 復位電路圖 2.3 時鐘電路設計 本控制器采用的是內部振蕩方式得到單片機的時鐘信號，這種方式得到的時鐘信號比較穩定。圖3為時鐘電路。 圖3 時鐘電路圖 2.4 可控硅輸出電路 可控硅是一種功率半導體器件，簡稱SCR，也稱晶閘管。本部分為控制電加熱爐功率的雙向可控硅驅動電路，采用MOC3041作為驅動電路。如圖4所示。 圖4 可控硅輸出電路 2.5 聲光報警電路模塊 某一通道的溫度測量值超出預先設定的上、下限報警值或系統運行出現故障時，系統發出聲光報警以提醒用戶注意。如圖5所示。 圖5 聲光報警電路圖 3.系統軟件設計 3.1 系統主程序設計 在反應器系統中，主程序的功能主要是設定程序執行過程中用到的相關變量，分配寄存器，對所需要的參數初始化，根據定時中斷程序，調用相應的功能模塊，完成一定的任務。 3.2 系統子程序設計 3.2.1 顯示子程序 LED顯示方式包括有靜態和動態顯示兩種，動態掃描顯示電路是將顯示各位的所有相同字段線連在一起，由一個8位I/O口控制，而每一位的公共端(共陽或共陰COM)由另一個I/O口控制。由于這種連接方式將每位相同字段的字段線連在一起，當輸出字段碼時，每一位將顯示相同的內容。因此，要想顯示不同的內容，必須采取輪流顯示的方式。 3.2.2 定時子程序 定時程序主要是用于完成查表的占空比控制。總體思想是根據控制表中占空比控制變量U的不同取值，采用不同的定時來改變繼電器的通斷，根據繼電器的特性，要求不能頻繁通斷，所以通斷要有一定長的時間，但又要考慮到控制能夠及時的根據新的采集值和設定值的變化來做出相應的動作。 4.控制方案 4.1 PID控制 PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 4.2 PID參數整定 由于PID控制器的輸出為系統偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調整各個部分的線性系數就是PID控制器控制性能好壞的關鍵。必須針對具體被控對象對PID控制器參數進行整定，采取擴充臨界比例度法： (a)選擇合適的采樣周期T。所謂合適是指周期足夠小，一般應選它對象的純滯后時間的1/IO以下； (b)僅讓控制器作純比例控制，由小到大逐漸增大比例系數Kp，直至使系統出現臨界振蕩，記下此時的臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks； (c)選擇合適的控制度。所謂控制度，就是數字控制器和模擬調節器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比； (d)根據控制度查表。 4.3 Matlab仿真 通過對上述的整定方法的綜合運用，整定后得到PID控制器的參數為：Kp=1.75，Ki=0.0125，Kd=3，在MATLAB/Simulink環境下建立溫度控制系統的仿真模型，如圖6示。仿真后得到系統階躍響應曲線。 圖6 仿真模型 仿真后得到的系統階躍響應的動態性能還是比較理想的，超調很小(響應峰值為1.017，超調量Q%=1.7%)。統的響應誤差是也是比較小的(穩態誤差為0.005)，在系統要求的精度范圍之內。 5.總結 系統采用模塊化設計，擴展性強。模塊化設計，使控制器具有一定的通用性，而且運行安全可靠。成本低，操作簡單，體積小，安裝方便，反應靈敏，控制精度高。 |
