【正文】 基于單片機(jī)的 PID 控制算法 1 基于單片機(jī)的 PID 控制算法實(shí)現(xiàn) 摘 要 ： 溫度是工業(yè)控制對(duì)象主要被控參數(shù)之一，在溫度控制中，由于受到溫度被控對(duì)象特性（如慣性大、滯后大、非線性等）的影響，使得控制性能難以提高， 有些工藝過程其溫度控制 的好壞 直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量 ， 因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。 為了實(shí)現(xiàn)高精度的水溫測(cè)量和控制，本文介紹了一種以 Atmel 公司的低功耗高性能 CMOS 單片機(jī)為核心，以 PID 算法控制來實(shí)現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)，其硬件電路還包括溫度采集、溫度控制、溫度顯示、鍵盤輸入以及 RS232 接口等電路。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并能根據(jù)設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) AT89C51；溫度控制；溫度傳感器 PT1000； PID 調(diào)節(jié)算法 1 前 言 課題背景與意義 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用 AT89C51 單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方 便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 目前，溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距?，F(xiàn)在，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80 年代中后期水平 。 成熟產(chǎn)品主要以 “ 點(diǎn)位 ” 控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復(fù)雜時(shí)變溫度系統(tǒng)控制，而且適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟 ，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。 隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛。 溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用 鹽浴爐溫度控制系統(tǒng)利用 S 型鉑銠 銠熱電偶檢測(cè)溫度，熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，熱電偶檢測(cè)的信號(hào)通過放大、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換再送單片機(jī)保存，采用分段查表法獲取各點(diǎn)溫度。選用可控硅過零觸發(fā)自動(dòng)控制鹽浴爐溫度，控制周期為 100 個(gè) 三相交流 式 電周期，即2s。由單片機(jī)控制可按預(yù)設(shè)溫度曲線進(jìn)行加熱，并可實(shí)時(shí)顯示加溫曲線 。大型糧庫(kù)采用 主機(jī)為 PC 上位機(jī)，從機(jī)為 68HC08GP32 為主控芯片的分機(jī)（下位機(jī)）。下位機(jī)采用 DALLAS 的數(shù)字式溫度傳感器芯片 DS1820，可以在三根線（電源線、地線、信號(hào) 線）上同時(shí)并聯(lián)多個(gè)溫度探測(cè)點(diǎn)。每個(gè)分機(jī)上可以連接 10 跟電纜，每根電纜上可并聯(lián)幾十個(gè)點(diǎn)。分機(jī)利用了 68HC08GP32 的片內(nèi) FLASH 功能，實(shí)現(xiàn)了 DS1820 的序列號(hào)在 68HC08GP32 中的動(dòng)態(tài)存取，從而節(jié)省了大量存儲(chǔ)器。溫度數(shù)據(jù)保存在 68HC08GP32 的片內(nèi) RAM 里并且充分利用了 68HC08GP32 的片內(nèi)的 A/D 實(shí)現(xiàn)了濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量。 有的還用 PLC 來控制總之溫度控制系統(tǒng)的控制方式是多種多樣的。 課程設(shè)計(jì)任務(wù) 2 本文主要介紹單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，其中涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件的選取和控制算法的選擇、程序的調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的整定。以 AT89C51 為 CPU， 溫度信號(hào)由PT1000 和電壓放大電路提供。 電壓放大電路 用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器 0P07 將溫度電壓信號(hào)進(jìn)行放大 ，用單片機(jī)控制 SSR 固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間以控制溫度， 系統(tǒng)控制對(duì)象為 1 升凈水，容器為搪瓷器皿。溫度可以在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變， 具有較好的快速性與較小的超調(diào) 。 2 系統(tǒng)方案 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體要求：溫度設(shè)定范圍為 40℃，目標(biāo)溫度的177。 2℃；加熱棒功率2KW，控制器為 固態(tài) 繼電器；用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。 溫度控制系統(tǒng)部分 溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)過程控制系統(tǒng)，組成框圖如圖 1 所示，由控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象及其反饋?zhàn)饔玫臏y(cè)量變 送組成。測(cè)量變送是通過溫度傳感器 Pt1000 來傳送的。控制器是通過單片機(jī)來完成。 圖 1 控制系統(tǒng)框圖 CPU 中央處理器 方案一 ： 采用 8031 作為控制核心 ， 使用最為普遍的器件 ADC0804 作模數(shù)轉(zhuǎn)換 ， 控制上使用對(duì) 加熱棒 加電 對(duì)水槽里的水 升溫。此方案簡(jiǎn)易可行 ， 器件價(jià)格便宜 ， 但 8031 內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器需擴(kuò)展 ， 增加了電路的復(fù)雜性 。 方案二 ：此方案采用 8951 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ， 控制電路部分采用 SSR 固態(tài)繼電器控制加熱棒的通斷， 此方案電路簡(jiǎn)單并且可以 滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。 比較兩個(gè)方案可知，采用 AT89C51 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)本題目，不管是從結(jié)構(gòu)上，還是從工作量上都占有很大的優(yōu)勢(shì)，所以最后決定使用 AT89C51 作為該控制系統(tǒng)的核心。 根據(jù)溫度變化慢 ， 并且控制精度不易掌握的特點(diǎn) ， 設(shè)計(jì)了 水箱 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) ， 總體框圖如 圖 2所示。 溫度控制采用改進(jìn)的 PID 數(shù)字控制算法 ，顯 示采用 3 位 LED 靜態(tài)顯示 。 3 圖 2 控制器 設(shè)計(jì) 總體框圖 溫度控制系統(tǒng)算法分析 系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型 PID 數(shù)字控制 ， 并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進(jìn) ， 形成了變速積分 PID— 積分分離 PID 控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別的控制算法 。 該方法不僅大大減小了超調(diào)量 ， 而且有效地克服了積分飽和的影響 ， 使控制精度大大提高 。 PID 控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。 PID調(diào)節(jié)器有三個(gè)可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù) pK 、積分時(shí)間常數(shù) iK 、 微 分時(shí)間常數(shù) dK 。 比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差 ； 積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動(dòng)態(tài)偏差。 如圖 3所示。 圖 3 比例積分微分控制 由圖 4 可知 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 w 與實(shí)際輸出值 y進(jìn)行比較構(gòu)成偏差 e=wy。 并將其比例、積 分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量。 其動(dòng)態(tài)方程為： dt tdeKdtteKteKtu dip )()()()( ? ??? （ ） 其中 Kp為比例放大系數(shù)； Ki為積分時(shí)間常數(shù)； Kd 為微分時(shí)間常數(shù) PID 調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為 ： )]1()([)()()( ????? kekeTKkTeKkeKku dip （ ）tTTTt Y 4 其增量表達(dá)形式為（ T 為采樣周期）： )1()()( ???? kukuku )]2()1(2)([/)()]1()([ ????????? kekekeTKkTeKkekeK dip （ ） 圖 4 模擬 PID 控制 控制方式 該控制系統(tǒng)是把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定量進(jìn)行比較，并利用控制器形成的控制信號(hào)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu) SSR 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制 的 ，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，減小輸出量的誤差，達(dá)到控制目的。在此控制系統(tǒng)中單片機(jī)就相當(dāng)于常規(guī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)算器控制器，它 對(duì)過程變量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定位之間的誤差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算然后給出控制信息，單片機(jī)的運(yùn)算規(guī)則稱為控制法則或控制算法。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)框圖及說明 本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，總體框圖如圖 2 所示。 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心， AT89C51 可以提供系統(tǒng)控制所需的 I/O 口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié)果的 RAM 電路；前向通道是信息采 集的通道，主要包括傳感器、信號(hào)放大、 A/D 轉(zhuǎn)換等電路；由于水溫變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，因此前向通 道中沒有使用采樣保持電路；信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn) 化硬件、降低硬件成本。 鍵盤設(shè)定：用于溫度設(shè)定， 共三個(gè)按鍵 。 數(shù)據(jù)采樣 ： 將 由傳感器及相關(guān)電路采集到的溫度轉(zhuǎn)為 電壓信號(hào) ， 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后， 送入AT89C51 相應(yīng)接口中， 換算成溫度值，用于 控制和 顯示。 數(shù)據(jù)顯示：采用 了共陰極數(shù)碼管 LED 進(jìn)行顯示 設(shè)置溫度與測(cè)量溫度。 繼電器 /加熱棒： 通過三極管控制繼電器的開關(guān)來完成對(duì) 加熱棒的 控制。 外部電路設(shè)計(jì) 溫度采集電路 采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000,對(duì)于溫度的精密測(cè)量而言 ,溫度測(cè)量部分是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步。溫度傳感器的選擇是這塊電路的關(guān)鍵，它 是直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能與效果的關(guān)鍵因素之一。這里采用的是精密級(jí)鉑電阻溫度傳感器 Pt1000，它的金屬鉑含量達(dá) 99. 9999%，因?yàn)殂K電阻的物理和化學(xué)性能在高溫和氧化介質(zhì)中很穩(wěn)定、價(jià)格又便宜，常用作工業(yè)測(cè)量元件，以鉑電阻溫度計(jì)作基準(zhǔn)器線性好，溫度系數(shù)分散性小，在 0～ 100 攝氏度時(shí)，最大非線性偏差小于 攝氏度，性能穩(wěn)定，廣泛用于精密溫度測(cè)量和標(biāo)定。 鉑熱電阻與溫度關(guān)系式 )1( 20 BtAtRRt ??? ，其中： tR 溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻； 0R 溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻； A、 B溫度系數(shù) A=*102/℃；其中 B= ）（ 710* ? /℃； T任意溫度。 溫度控制電路 此部分通過控制繼電器的通斷從而控制加熱棒，采用對(duì)加在加熱棒兩端的電壓進(jìn)行通 5 斷的方法進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)溫度控制的目的，即在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。 加熱棒控制 電路如圖 5 所示 。 圖 5 加熱棒控制電路 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 圖 6 系統(tǒng)框圖 A/D轉(zhuǎn)換電路 ADC0804 是 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。分辨率為 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μ s，輸出電壓范圍為 0～ 5V，增加某些外部電路后， 輸入 的 模擬電壓可 以 為177。 5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接到CPU 的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。 ADC0804 的引腳圖和時(shí)序圖分別如圖 7,圖 8所示。 12345678910 11121314151617181920CSRDWRCL K ININ T RA G N DD G N DVCL K RDDDDDDDDI N +I N R E F / 2VVVCC01234567A D C0804100μ s輸出高阻CSRDWRIN T R讀數(shù)數(shù)據(jù) 圖 7 ADC0804 引腳圖 圖 8 ADC0804 控制信號(hào)的時(shí)序圖 6 采集數(shù)據(jù)時(shí)，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在指令執(zhí)行過程中，微處理器在控制總線的同時(shí)產(chǎn)生 CS WR1 低電平信號(hào)，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器工作， ADC0804 經(jīng) 100μ S 后將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存于輸出鎖存器，并在 INTR 端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當(dāng)微處理器通過總線查詢到 INTR 為低電平時(shí)，立即執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生 CS、 RD2 低電平信號(hào)到 ADC0804 相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲(chǔ)器中。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，由微處理器有序地執(zhí)行若干指令完成， AD0804 的連接圖如圖 9。 圖 9 AD0804 連接圖 鍵盤設(shè)置電路 單片機(jī)上的 口 接 S1， 口 接 S2， 口 接 S3。 S1： 設(shè)置溫度的十位數(shù) ： 0— 9 S2： 設(shè)置溫度的個(gè)位數(shù) ： 0— 9 S3：工作模式選擇鍵，共有兩種工作模式：正常工作狀態(tài)、溫度重新設(shè)置。 系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按 S1 次數(shù) ， 十位的數(shù)碼管順序增加。同樣