CN103279155B - 一种温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度控制系统，该温度控制系统包括下位机和上位机，下位机是由AVR单片机、温度传感器、LED显示器、温度设置电路、温度加热电路组成；上位机是由PC机和交互软件组成；该系统可以根据用户需要的温度曲线，在上位机上输入温度和保持该温度的时间，下位机则实现该温度的梯度变化控制，该系统能够满足对不同时刻有不同温度要求的用户，反应灵敏，精度较高。

Description

一种温度控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种温度控制系统。

背景技术

温度是工业对象中的一个重要的被控参数。在冶金、化工、建材、机械、食品等工业中的温度控制场合，有时候需要对温度进行十分精确地控制，需要在不同的温度保持不同的时间，只有这样才能生产出相应的产品。比如，在某些温度控制场合，用户为了得到相应的产品，可能需要先保持某一温度一段时间，然后再保持另一温度一段时间，有的可能需要多次的温度变化及保持，即温度的梯度控制。但是目前的温度控制系统大都是只能够控制温度在某一个特定的温度，如果需要的温度发生了变化，则需手动更改参数实现控制，十分不方便，人为因素影响也比较大，无法实现自动的精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度控制系统，该控制系统可以根据用户需要的温度曲线实现精确的温度梯度变化控制。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该温度控制系统包括上位机和下位机，所述下位机包括AVR单片机、温度传感器以及温度加热电路，上位机、温度传感器以及温度加热电路分别与AVR单片机相连。

所述上位机为PC机。

所述下位机还包括与AVR单片机相连的LED显示器。

所述下位机还包括与AVR单片机相连的温度设置电路，温度设置电路采用按键扫描模块。

所述上位机按照用户输入的温度控制参数绘制理想温度曲线，然后向用户显示绘制得到的理想温度曲线，同时，上位机根据温度传感器实时检测结果，绘制实际温度曲线，然后向用户显示绘制得到的实际温度曲线。

所述温度控制参数包括温度以及温度的保持时间。

所述温度加热电路采用由驱动电路驱动的发热管。

所述AVR单片机根据读取的温度控制参数采用PID温度控制算法控制温度加热电路，AVR单片机根据依次读取的用户在上位机输入的温度控制参数，实现温度梯度控制。

所述PID温度控制算法根据温度变化的快慢程度，来整定PID参数，在初始阶段，采用PD控制算法，实现快速升温，中期采用PID控制算法来进行过渡，后期采用PI控制算法，使温度尽快稳定至与温度控制参数一致。

所述PID温度控制算法的流程为：

令e(k)表示k时刻的误差，Δe(k)=e(k)-e(k-1)，Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)；

（1）当|e(k)|>M₁时，用定值输出来进行控制，输出u(k)为定值；

（2）当e(k)Δe(k)>0或Δe(k)=0时，若|e(k)|>M₂，增强比例和微分的作用，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]；

（3）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)>0或者e(k)=0时，保持输出；

（4）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)<0时，若|e(k)|>M₂，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)=u(k-1)+k₂k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_dt(m-1)/t(m)，此时用t(m-1)/t(m)表示温度的变化快慢；

（5）当|e(k)|<M₃时，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)；

其中k₁为增益放大系数，k₁>1；k₂为抑制系数，k₂<1；k_p表示比例控制的系数，k_d表示微分控制的系数，k_i表示积分控制的系数；M₁,M₂,M₃为设定的误差界限，M₁>M₂>M₃>0。

本发明的有益效果体现在：本发明所述温度控制系统，用户可以根据需要的温度曲线，在上位机上输入需要的几组温度及其保持时间，上位机不仅能够绘制出相应的温度曲线，而且把用户输入的数据传输给单片机，由单片机控制温度加热电路根据用户输入的数据依次升温到对应指定温度并保持相应时间，实现温度梯度变化控制，提高了温度控制的自动化水平，有利于提高工业过程的效率。

进一步的，本发明所述温度控制系统采用的PID温度控制算法克服了现有PID算法动态响应差、反应时间慢等缺点，通过对温度的测量，能够控制PWM信号占空比的大小，从而实现了精确控制温度的升高和保持。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是理想温度曲线图；

图3是实际温度曲线图；

图4是本发明所述PID温度控制算法（改进PID算法）原理框图；

图5是本发明所述PID温度控制算法（改进PID算法）的流程图；

图6是PID控制的温度调节仿真图，其中，图6a为现有算法，图6b为本发明算法；

图中：1为AVR单片机、2为温度传感器、3为LED显示器、4为温度设置电路、5为温度加热电路、6为PC机、7为交互软件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明所述温度控制系统包括上位机和下位机，所述上位机为PC机6，所述下位机包括AVR单片机1、温度传感器2以及温度加热电路5，上位机、温度传感器2以及温度加热电路5分别与AVR单片机1相连。所述下位机还包括与AVR单片机1相连的LED显示器3。所述下位机还包括与AVR单片机1相连的温度设置电路4，温度设置电路4采用按键扫描模块，通过三个独立按键来进行温度大小的调节。所述温度加热电路5采用由驱动电路驱动的发热管。

所述上位机按照用户输入的温度控制参数绘制理想温度曲线，然后向用户显示绘制得到的理想温度曲线，同时，上位机根据温度传感器2实时检测结果，检测对象为被控环境的温度，即发热元件周围空气的温度，绘制实际温度曲线，然后向用户显示绘制得到的实际温度曲线。所述温度控制参数包括温度以及温度的保持时间。

所述AVR单片机1根据读取的温度控制参数采用PID温度控制算法控制温度加热电路5，AVR单片机1根据依次读取的用户在上位机输入的温度控制参数，实现温度梯度控制。所述PID温度控制算法根据温度变化的快慢程度，来整定PID参数，在初始阶段，采用PD控制算法，实现快速升温，中期采用PID控制算法来进行过渡，后期采用PI控制算法，使温度尽快稳定至与温度控制参数一致。

所述PID温度控制算法的流程为：

令e(k)表示k时刻的误差，t(m)表示当前温度的温度保持时间，t(m-1)表示上一温度的温度保持时间，Δe(k)=e(k)-e(k-1)，Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)；

（1）当|e(k)|>M₁时，用定值输出来进行控制，输出u(k)为定值；

（2）当e(k)Δe(k)>0或Δe(k)=0时，若|e(k)|>M₂，增强比例和微分的作用，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]；

（3）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)>0或者e(k)=0时，保持输出；

（4）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)<0时，若|e(k)|>M₂，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)=u(k-1)+k₂k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_dt(m-1)/t(m)，此时用t(m-1)/t(m)表示温度的变化快慢；

（5）当|e(k)|<M₃时，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)；

其中k₁为增益放大系数，k₁>1；k₂为抑制系数，k₂<1；k_p表示比例控制的系数，k_d表示微分控制的系数，k_i表示积分控制的系数；M₁,M₂,M₃为设定的误差界限，M₁>M₂>M₃>0。

实施例

一种温度控制系统，包括下位机和上位机，下位机是由AVR单片机、温度传感器、LED显示器、温度设置电路以及温度加热电路组成；上位机是由PC机和交互软件组成。所述温度传感器与AVR单片机相连，用于将检测到的温度数据传输给AVR单片机处理；所述LED显示器与AVR单片机相连，所述温度控制系统采用LED显示器同时显示测量得到的温度和设定的温度，易于观察，便于比较；所述温度设置电路与AVR单片机相连，用于把设置的温度传输给单片机处理；所述温度加热电路与AVR单片机相连，可以控制加热装置进行加热；所述PC机与AVR单片机相连，在PC机上安装交互软件，用于实现AVR单片机和PC机的通信。所述AVR单片机具有程序存储器容量大、速度快、驱动能力强等特点，能够容纳较复杂的程序，能够驱动较多的器件，有助于该系统的实现。

所述的温度控制系统可以脱离上位机，单独利用下位机进行温度控制，采用温度设置电路的三个按键来对温度进行设定，能够控制所需的温度。

在温度控制系统中，用户一般要求在升温阶段温度要快速上升，在稳定阶段要保持较小的波动范围。而在PID算法中，PID参数的适合与否，决定了系统的性能好坏。在本系统中，根据温度变化的快慢程度，来整定PID参数。在初始阶段，可以先采用PD控制算法，能够快速升温，中期采用PID控制算法来进行过渡，后期采用PI控制算法，能够尽快稳定。令e(k)表示k时刻的误差，t(m)表示当前温度的温度保持时间，t(m-1)表示上一温度的温度保持时间，Δe(k)=e(k)-e(k-1)，Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)。（1）当|e(k)|>M₁时，此时的误差绝对值很大，需要用定值输出来进行控制，输出u(k)为定值；（2）当e(k)Δe(k)>0或Δe(k)=0时，此时误差在朝着误差绝对值增大的方向变化或者误差没有变化，若|e(k)|>M₂说明误差较大，应该增强比例和微分的作用，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，说明误差虽然在朝着绝对值增大方向变化，但误差不是很大，采用一般控制扭转变化趋势即可，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]；（3）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)>0或者e(k)=0时，此时误差在朝绝对值减小的方向变化，保持输出即可；（4）当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)<0时，此时误差处于极值状态，若|e(k)|>M₂说明误差绝对值较大，应加强比例和微分的作用，输出u(k)=u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，说明误差绝对值较小，采用较弱的控制作用，输出u(k)=u(k-1)+k₂k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_dt(m-1)/t(m)，此时用t(m-1)/t(m)表示温度的变化快慢，能够较好的控制微分作用。（5）当|e(k)|<M₃时，说明误差的绝对值很小，采用比例和积分控制即可，输出u(k)=u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)。其中k₁为增益放大系数，k₁>1；k₂为抑制系数，k₂<1；M₁,M₂,M₃为设定的误差界限，M₁>M₂>M₃>0。在采样时间上，考虑到如果采样频率过高，则会增加单片机的负担，而且对于温控系统来说，采样太快，容易引起系统的震荡；如果采样频率过低，则可能会错过高频信号，使控制效果下降。经过反复试验，暂定采样时间为0.1s。

下面以一次实际温度控制过程为例，对本发明的效果进行说明。

在PC机的交互软件上输入几个所需要的温度及保持的时间，如（30.5°，2min），（35°，1min），（38°，3min），则交互软件生成如图2所示的理想温度曲线，并把这三组参数传递给单片机，保存到变量中。

温度传感器DS18B20实时监测被控环境温度，并把该数据传输给单片机ATmega16，单片机接收来自温度传感器的数据，并将温度显示在LED显示器的左三位上。

此时单片机从变量中读取第一个温度值及保持的时间，并把目标温度值显示在LED显示器的右三位上，以此可以清晰看出当前温度和目标温度。把保持时间传给定时器（AVR单片机自带定时器功能，设置参数即可使用）。

把设定温度作为目标温度进行改进的PID算法（即本发明所述PID温度控制算法），输出占空比不同的PWM信号控制温度加热电路来进行升温，当达到目标温度时保持该温度，直到定时器计时结束，然后读取第二个温度值，再加热并保持。关于PID算法的程序流程如图5所示。

把实时温度显示在LED显示器上，并传给PC机上的交互软件，绘制成实时温度曲线图，如图3所示。

通过观察计算可以得出，虽然温度控制有一定的偏差，但是最大偏差出现在保持温度在35°的地方，最大偏差为0.5°，误差范围在可以承受范围内。与现有PID算法相比，可见升温阶段上升更快，稳定阶段波动也较小，参见图6。

Claims (8)

1.一种温度控制系统，其特征在于：该温度控制系统包括上位机和下位机，所述下位机包括AVR单片机(1)、温度传感器(2)以及温度加热电路(5)，上位机、温度传感器(2)以及温度加热电路(5)分别与AVR单片机(1)相连；

所述AVR单片机(1)根据读取的温度控制参数采用PID温度控制算法控制温度加热电路(5)，AVR单片机(1)根据依次读取的用户在上位机输入的温度控制参数，实现温度梯度控制；

所述PID温度控制算法的流程为：

令e(k)表示k时刻的误差，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，Δe(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)；

(1)当|e(k)|>M₁时，用定值输出来进行控制，输出u(k)为定值；

(2)当e(k)Δe(k)>0或Δe(k)＝0时，若|e(k)|>M₂，增强比例和微分的作用，输出u(k)＝u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)＝u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]；

(3)当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)>0或者e(k)＝0时，保持输出；

(4)当e(k)Δe(k)<0，Δe(k)Δe(k-1)<0时，若|e(k)|>M₂，输出u(k)＝u(k-1)+k₁{k_p[e(k)-e(k-1)]+k_d[Δe(k)-Δe(k-1)]}，若|e(k)|≤M₂，输出u(k)＝u(k-1)+k₂k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_dt(m-1)/t(m)，此时用t(m-1)/t(m)表示温度的变化快慢；

(5)当|e(k)|<M₃时，输出u(k)＝u(k-1)+k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)；

其中k₁为增益放大系数，k₁>1；k₂为抑制系数，k₂<1；k_p表示比例控制的系数，k_d表示微分控制的系数，k_i表示积分控制的系数；M₁,M₂,M₃为设定的误差界限，M₁>M₂>M₃>0。

2.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述上位机为PC机(6)。

3.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述下位机还包括与AVR单片机(1)相连的LED显示器(3)。

4.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述下位机还包括与AVR单片机(1)相连的温度设置电路(4)，温度设置电路(4)采用按键扫描模块。

5.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述上位机按照用户输入的温度控制参数绘制理想温度曲线，然后向用户显示绘制得到的理想温度曲线，同时，上位机根据温度传感器(2)实时检测结果，绘制实际温度曲线，然后向用户显示绘制得到的实际温度曲线。

6.根据权利要求5所述一种温度控制系统，其特征在于：所述温度控制参数包括温度以及温度的保持时间。

7.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述温度加热电路(5)采用由驱动电路驱动的发热管。

8.根据权利要求1所述一种温度控制系统，其特征在于：所述PID温度控制算法根据温度变化的快慢程度，来整定PID参数，在初始阶段，采用PD控制算法，实现快速升温，中期采用PID控制算法来进行过渡，后期采用PI控制算法，使温度尽快稳定至与温度控制参数一致。