基于PID的温室温度控制系统

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-1-第1章绪论1.1选题的依据和意义随着科学技术的发展，各类精密产品的生产制造以及特种科学实验都要求具有特定的工作环境，恒温就成为了不可缺少的条件之一。目前我国常见的恒温系统的恒温精度为±1℃及±0.50.1℃。而一些高精度的恒温系统如光学仪器厂的刻线室恒温精度已达到了±0.0056℃。但是在某些非凡的科学实验室不仅恒温精度很高，而且干扰量多如渗透风、设备散热、送风温度波动以及电热器供电电压的波动等。且某些干扰量如渗透风其最大值难以确定而没有采用相应的措施控制渗透风干扰量，导致房间温度的波动过大。结果使恒温精度很难达到要求。如何使这些非凡的科学实验的恒温精度达到使用要求成为了恒温控制系统设计的一个巨大的难题。由于传统的PID控制算法其运算简单、调整方便，在过程控制中这种控制算法仍占据相当重要的地位。故目前恒温室的空调系统大部分采用PID控制。在工业生产中，经常需要控制温度、压力、流量、间距等连续变化的模拟量，无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机的数字控制系统，PID控制都得到广泛的应用。PID控制器是比例-积分-微分控制的简称，具有不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，以及程序设计简单，参数调整方便等优点。积分控制可以消除系统的静态误差和改善动态响应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求。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。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。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。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-2-温度控制是PID运用最广的方式之一，顾研究基于PID的温室温度控制器，可以迅速了解最基本的PID现代化需求以及原理，更好的掌握前端科技，同时也拥有更新更准确的理论支持，因而过温度控制来研究PID是非常合适的。1.2选题研究的基本内容本文研究的是基于PID的温室温度控制器的设计总体方案，温度控制器是温室温度调节的一个重要环节，对提高温度控制的经济性、可靠性和安全性有着重要的意义。本文主要是完成对温度控制器进行研究。PID控制，因为它简单，容易实现,它有可消除稳态误差的优点基本上能够达到反应速度快、稳态误差小的理想结果。本项目以单片机芯片为核心用PID控制方法设计出的温度控制的控制算法及其系统实现方法，实现对温度的检测，显示和控制功能。1.3PID控制算法的研究1.3.1模拟PID简介在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-3-1.3.2PID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)：)()()(tytrte（1.1）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1.1所示：图1.1PID控制系统原理图其控制规律为])()(1)([)(0tDPdttdeTdtteTteKtu（1.2）或者写成传递函数形式为)11()(DSISPTTKsG（1.3）式1.3中PK：比例系数；IK：积分时间常数；DK：微分时间常数。PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-4-（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；（3）微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。1.1.3PID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，式1.3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：KTt（1.4）tkjkjjeTjTeTte000)()()(（1.5）TkekeTTkeKTedttde)1()(])1[()()(（1.6）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1.4和1.5代入1.6则可以得到离散的PID表达式：kjDIPkekeTTjeTTkeKku0)]1()([)()({)(（1.7）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，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式1.7称为PID的位置式控制算法。若在式1.7中，令：IPITTKK（称为积分系数）TTKKDPD(称为微分系数）则沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-5-kjDIIkekeKjeKkeKku0)]1()([)()()(（1.8）1.8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1.8式作如下的变动：考虑到第（k-1）次采样时有：})]2()1([)()1({)1(10kjDIPkekeTTjeTTkeKku（1.9）使（1.8）两边对应减去（1.9）式得)]}2()1(2)([)()1()({)1()(kekekeTTkeTTkekeKkukuDIP整理后得)2()1()()1()(210keakeakeakuku（1.10）其中：)1(0TTTTKaDIP；)21(1TTKaDP；TTKaDP2式（1.10）就是PID位置式的递推形式如果令)1()()(kukuku，则：)2()1()()(210keakeakeaku（1.11）式中0a、1a、2a同式（1.10）中一样。因为在计算机控制中式中0a、1a、2a都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得)(ke、)1(ke、)2(ke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(1.11)式通常被称为PID控制的增量式算式。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值)(je，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-6-小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果；（2）由于计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利；（3）手动与自动切换时冲击比较小。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-7-第2章方案论证2.1方案概述根据功能的指标和要求，本系统可以从原件开始设计。使用STC90C51单片机作为主控机，通过温度传感器对封闭的空间进行温度测量，并对反馈信号进行调平放大转化为模拟量，通过AD转换器进行模数转换用LED显示出来。用PID算法控制可控硅并决定加热电阻丝的输出功率。使得系统可以迅速的达到设定的温度，并持续维持在所设定温度下进行小范围的波动。系统方案原理图如图2.1所示。图2.1基于PID的温室温度控制器的设计方案原理图2.2设计的总体思路本次设计要实现对温室温度控制，必须实现温度采集，电阻丝加热，以及对可控硅的控制，同时实现对数据的显示以及按键的设置。根据设计要求确定该系统的设计思路。2.2.1单片机的选择现今社会单片机发展很迅猛，出现很多种类单片机如：STC单片机、PIC单片机、单片机键盘输入显示电路模数转换器放大器调节器温度传感器加热电阻丝密闭空间可控硅PID计算沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-8-PHLIPIS51PLC系列单片机(51单片机)等；本系统采用的是STC90C51单片机，STC90C51是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC90C51使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC90C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC90C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其外形及引脚排列如图2.2所示。图2.2STC90C51芯片模型2.2.2温度传感器的选择温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-9-热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将PT电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。2.2.3AD转换器的选择本系统使用PCF8591来实现模数转换，PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。可以满足单片机STC90C51的