基于pid電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(已修改)
2025-02-20 06:28 本頁面
【正文】 1 基于 PID 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 紀(jì)和增 摘要 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化 水平。 關(guān)鍵字 PID；電加熱爐；溫度控制系統(tǒng)；單片機(jī) 1 緒論 在本控制對象電阻加熱爐功率為 8 可 W，由 220V 交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計針對一個溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50~350C，保溫階段溫度控制精度為正負(fù) 1 度。選擇合適的傳感器，計算機(jī)輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數(shù)學(xué)模型為： 1)( ???sT eKsG dsd ? 其中：時間常數(shù) Td=350 秒，放大系數(shù) Kd=50，滯后時間?=10 秒， 控制算法選用改 PID 控制 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 實(shí)時溫度采樣 顯示設(shè)定值 單 片 機(jī) 設(shè)定溫度 電源控制 電阻加熱爐 2 2 控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計 數(shù)字 PID 控制算法 在電子數(shù)字計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID控制器是通過計算機(jī) PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計算機(jī)的連續(xù) 時間信號 ,必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機(jī)中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。 圖 位置 PID控制算法簡化示意圖 在數(shù)字計算機(jī)中， PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使 PID算法離散化，將描述連續(xù)時間 PID 算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散 時間 PID 算法的差分方程。 ?? ??kjis jeTTdeT0t0 )()(1 ?? 用矩形積分時，有 )]1()([)( ??? kekeTTdt tdeT SDd （ 1） 用差分代替微分 00 ))]1()([)(()([)( ukekeTTjeTTkeKkuSDkjisp ??????? ?? （ 2） 由上式得 001 )]1()([)()()(u ukekeKkeKkeKk Dkjp ?????? ?? (3) 式中 u0—— 控制量的基值，即 k=0 時的控制； u(k)—— 第 k 個采樣時刻的控制； KP—— 比例放大系數(shù)； KI—— 積分放大系數(shù)； 受控對象 PID位置算法 r e u y + 3 I SPI TTKK ? S DPD TTKK ? KD—— 微分放大系數(shù)； TS—— 采樣周期。 式 （ 3） 是數(shù)字 PID 算法的非遞推形式，稱全量算法。算法中，為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過去值 e(j)（ j=1， 2， 3， ... ， k） 都存儲起來。這種算法得出控制量的全量輸出 u(k)，是控制量的絕對數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，例如在閥門控 制中，這種算法的輸出對應(yīng)了閥門的位置（開度）。所以，將這種算法稱為“位置算法”。 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)）時，需要用 PID 的“增量算法”。 由位置算法求出 010 )]2()1()()1([)1(u ukekeTTjeTTkeKkSDkjISp ????????? ??? 再求出 )1()()( ???? kukuku 兩式相減，得出控制量的增量算法 01 )]1()([)()([)( ukekeTTjeTTkeKkuSDkjISp ?????? ?? (4) 式 (4)稱為增量式 PID 算法。 對增量式 PID 算法 （ 4） 歸并后，得 )2()1()()( 210 ?????? keqkeqkeqku (5) ]1[0 SDISP TTTTKq ??? y u e r PID 增量算法 受 控 對象 + 步進(jìn)電機(jī) ?u 4 ]21[1 SDP TTKq ??? SDP TTKq ?2 其中 （ 5） 已看不出是 PID 的表達(dá)式了，也看不出 P、 I、 D 作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式 （ 5） 看出，數(shù)字增量式 PID 算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值 e(k)， e(k1)， e(k2)就足夠了。 3 硬件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn) AT89C51 系列基本組成及特性 AT89C51是一種帶 4K字節(jié) FLASH存儲器 （ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī) 。 AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃存可編程可 擦除 只讀存儲
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