【正文】 Ti： 控制器的積分系數(shù) Td： 控制器的微分系數(shù) 比例部分 5 在模擬 PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出反應(yīng)。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。采用了模擬的 PWM 變換，和固態(tài)繼電器。 3 圖 21：系統(tǒng)原理框圖 綜上所述方案有如下的特點 ： （ 1）在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡單明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。 論證分析 經(jīng)過比較，采用 DS18B20 測量水溫，硬件電路簡單，測量精度高，信號易處埋，故溫度變送器選用 DS18B20。在使用 中不需要任何外圍元件，測溫范圍 55℃ 到 +125℃，最小分辨率達 度。常用的熱電 偶從 50 ℃ 到 +1600℃均可正常測量，某些特殊熱電偶最低可測到 269℃ （ 如金鐵鎳鉻 ） ，最高可達 +2800 度 （ 如鎢 欽 ） 。其中，溫度信號的準(zhǔn)確性影響著整套系統(tǒng)的成功。但對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最 在乎系統(tǒng)的快速性，所以目前， PID 算法一般是在順序程序結(jié)構(gòu)的處理器上實現(xiàn)的，工程上實際應(yīng)用的很多PID 控制器都是用單片機 （ MCU） 來實現(xiàn)的。 PID 控制是比例、積分、微分 控制的簡稱。 PWM square wave 目 錄 第 1 章 前 言 .......................................................................................................................... 1 第 2 章 系統(tǒng)方案 .................................................................................................................... 2 設(shè)計思想 .......................................................................................................................... 2 方案論證 .......................................................................................................................... 2 論證分析 .......................................................................................................................... 2 第 3 章 PID 原理解說 ............................................................................................................... 4 PID 概念及其構(gòu)成 ........................................................................................................... 4 PID 算法原理 ................................................................................................................. 4 PID 應(yīng)用到水溫控制器中的編程思路 ........................................................................... 7 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .............................................................................................................. 9 控制模塊單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 .................................................................................. 9 鍵盤模塊的設(shè)計 .............................................................................................................. 9 顯示模塊的設(shè)計 ............................................................................................................ 10 溫度采集模塊的設(shè)計 ................................................................................................. 10 第 5 章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 ..................................................................................................... 12 主程序模塊流程圖的搭建 ......................................................................................... 12 PID 模塊流程圖的搭建 .............................................................................................. 13 定時器模塊流程圖的搭建 ........................................................................................ 13 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 .................................................................................................................. 15 溫度時間變化曲線的繪制 ........................................................................................ 15 分析曲線并獲得相應(yīng)結(jié)論 ............................................................................................ 16 第 7 章 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 18 致 謝 ...................................................................................................................................... 19 參考文獻 .................................................................................................................................. 20 附 錄 ........................................................................................................................................ 21 1 第 1 章 前 言 在現(xiàn)代化的上業(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)。整 個系統(tǒng)的硬件電路簡單，穩(wěn)定性好。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題目： 基于 PID 算法的水溫控制器設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 摘 要 PID 控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的一個重要方法 ,將 PID算法應(yīng)用到以 51單片機 為核心的控制系統(tǒng)中 ,能產(chǎn)生良好的控制效果。經(jīng)過實際測驗，本系統(tǒng)超調(diào)小，無振 蕩，基本可以實現(xiàn)自控系統(tǒng)的穩(wěn) 、準(zhǔn) 、 快的三大目標(biāo)。例如 ： 在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力上程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加土等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中， PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。 本設(shè)計源自工業(yè)現(xiàn)場，以鍋爐水 溫水溫控制器建立模型，包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包含 溫度設(shè)定模塊、溫度采集變送模塊、溫度偏差處理模塊 （ 即 PID 控制模塊 ） 、溫度顯示模塊 、電爐加熱模塊。 方案論證 溫度采集有多種方案，但在水溫控制的工業(yè)現(xiàn)場主要有兩種 ： 方案 用熱電偶采集溫度。但熱電偶測量需要溫度補償。 驅(qū)動加熱模塊也有多種方案 ： 方案一 ： 單片機輸出數(shù)字量，經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換后驅(qū)動相應(yīng)的功率器件，特點是控制方便，電路設(shè)計復(fù)雜，且存在大量的干擾。驅(qū)動加熱采用固態(tài)繼電器，在實行控制的時候不像其它采用 D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個固態(tài)繼電器，通過內(nèi)部改變定時器的中斷時間來 調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)電子開關(guān)的導(dǎo)通和斷開時間。 （ 2） 由于采用了離線的方法，很大程度上的減少了編程的麻煩，實現(xiàn)起來較容易?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié) 果更準(zhǔn)確，實時性、控制效果更好。 具體由比例模塊，積分模塊和微分模塊構(gòu)成。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向 減少偏差的方向變化?？梢姡e分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定 Ti。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些 噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。 適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù) Td，可以使微分作用達到最優(yōu)。 數(shù)字式 PID 控制算法可以分為位置 式 PID 和增量式 PID 控制算法。將公式 （ 35） 代入公式 （ 32）就可以得到離散的 PID 表達式 ： 1=0= K p [ + + ]k kkk k jjiT TdTeeu e eT ? （ 36） 或者 1=0= * + + K d ( )kk k j k kjK p K iu e e e e? （ 37） 公式 （ 36） 或公式 （ 37） 表示的控制算法是直接按照公式 （ 31） 說給出的 PID控制規(guī)律定義進行運算 的，所以它給出了全部控制量的大小，因此稱為全量式或位置式PID 控制算法。實際采樣周期的選擇還要受到多方而因素的影響，不同的系統(tǒng)采樣周期應(yīng)根據(jù)具體情況來選擇。這就給使用者帶來相當(dāng)?shù)穆闊?，特別是對初學(xué)者 。 （ 2） 確定積分時間常數(shù) Ti 比例增益 P 確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù) Ti 的初值，然后逐漸減 小 Ti,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大 Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。若要設(shè)定，與確定 P 和 Ti 的方法相同，取不振蕩時的 30%。如圖 單片機最小系統(tǒng)有復(fù)位電路和振蕩器電路。 如下圖 41所示 [5]： 圖 41單片機最小系統(tǒng) 鍵盤模塊的設(shè)計 本次設(shè)計需要用鍵盤來設(shè)定閾值溫度，而不是用電位器以及 AD 的模擬輸入，所以設(shè)置了四個按鍵，加一按鍵（ INC1），加十按鍵（ INC10） ,確定按鍵（ QUEDING）， 返回按鍵（ FUWEI）。鍵盤模塊如圖 42所示： 10 圖 42 鍵盤模塊 顯示模塊的設(shè)計 本次設(shè)計由于用的是實驗室的實驗板，上面帶有八位數(shù)碼管，所以顯示模塊就選用數(shù)碼管顯示即可，顯示應(yīng)用動態(tài)顯示原理，通過循環(huán)輸出，由于人眼誤差，從而來實現(xiàn)顯示的溫度值可以讀出的目的。所以，有一個細致邏輯精確的軟件系統(tǒng)是本次設(shè)計能否成功的關(guān)鍵，下面便按照編程思路來逐一介紹比較重要的幾個設(shè)計模塊。在本程 序中，以閾值溫度與實時檢測溫度的差值作為偏差給定 ek，根據(jù) PID 算法求出控制量 uk，本次設(shè)計中在根據(jù)