CN109634319A - 基于pid控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法，包括PID控制器设计：控制系统采用智能控制算法，即PID控制算法，通过对于设定温度和实际温度的差值的比列，微分，积分三者结合得到的算法结果来控制执行机构的执行状态，从而可以让控制系统中的控制时间，超调量，滞后反应以及最后的稳定程度都能有较明显的改善。本发明系统具有整体结构简单、温度控制的精度较高、实时性好、功能稳定可靠等优点，具有广泛的应用价值。

Description

基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法。

背景技术

随着科技的迅速发展，人们的生活水平日益改善，传统设备的利用已经不能满足人民日益增长的美好生活的需要，以至于对设备的智能化要求越来越高，温度控制领域就是一个研究的热点。市场上，对温度参数控制的目前还大多处于传统化手动式控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度控制的精度较高、实时性好、功能稳定可靠的基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法，其特征是：将温度设定值和DS18B20检测得到的温度反馈值得到的偏差送入控制电路部分，然后单片机通过PID算法对偏差处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制；系统运行的时间通过定时器中断定时，用户可以通过键盘对设定时间和设定温度进行设置，采集到的实时温度、时间和设定的温度都通过LCD1602显示；

PID控制器设计：

控制系统采用智能控制算法，即PID控制算法，通过对于设定温度和实际温度的差值的比列，微分，积分三者结合得到的算法结果来控制执行机构的执行状态，从而可以让控制系统中的控制时间，超调量，滞后反应以及最后的稳定程度都能有较明显的改善；

搭建数学模型：

选用：

作为电加热炉温度系统的数学结构模型；

式(1)中：G(s)为系统输入与输出总热量之比；s为时间t经过拉氏变换后对应的参数；k为放大系数；T为过程时间常数；τ为纯滞后时间；

(a)k的求法：k可以用下式求得：

式(2)中：Δu为阶跃输入幅值；y(∞)为响应稳态值；y(0)为响应初始值；

(2)过程时间常数T和滞后时间τ的求法如下：

因为阶跃曲线上的拐点不容易确定，直接取阶跃响应曲线上所对应的t₁和t₂，再按下式计算滞后时间τ和过程时间常数T，即T＝2(t₂-t₁)；，τ＝2t₁-t₂。；t₁和t₂分别为不同温度所对应的时间；

取的数据分别为：t₁＝165,t₂＝327,y(0)＝55.7,y(∞)＝75,

输入控制量u＝5曲线趋于稳定后更改输入控制量u＝7,按照公式求得数据为：

k＝10；T＝324；τ＝3。

所以，传递函数为：

那么，接下来进行用此数学模型进行MATLAB仿真来整定PID控制器的参数。

所述进行MATLAB仿真来整定PID控制器的参数，步骤如下：

1)常规PID参数整定

根据PID控制模型，利用SIMULINK灵活的非线性设计功能，可建立倒SIMULINK模型；温度设定为50℃，根据传递函数的各项系数，调节PID的各个参数，当K_p＝0.078、K_I＝0.013、K_D＝0.118的时候，运行SIMULINK模型，得到仿真曲线；当K_p＝5、K_I＝0.02、K_D＝5时得到最佳的控制效果；

2)在不改变参数的情况下，给系统加一个干扰；未进行PID整定和加干扰后进行PID整定仿真曲线。

本发明对模拟加热炉通过实验法建立数学模型，然后根据建立出的数学模型设计了相应的PID控制器，并将控制过程在MATLAB上进行仿真，研究其实时性和抗干扰等性能，最后通过对参数进行调整得到最佳的K_p，K_i，K_d参数用于程序编写。系统具有整体结构简单、温度控制的精度较高、实时性好、功能稳定可靠等优点，具有广泛的应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是硬件总体设计图。

图2是DS18B20电路图。

图3是继电器电路图。

图4是系统的总体软件流程示意图。

图5是系统阶跃响应曲线。

图6是PID控制的SIMULINK模型图。

图7是Kp＝0.078、KI＝0.013、KD＝0.118时的仿真曲线图。

图8是Kp＝5、KI＝0.02、KD＝5时的仿真曲线图。

图9是PID加扰动的SIMULINK模型图。

图10是未校正系统和经PID调节响应曲线对比示意图。

具体实施方式

1、硬件总体设计：

该系统以STC89C52为系统控制模块，DS18B20温度检测模块，LCD1602液晶显示模块输入模块及温度控制电路等组成，系统的总体设计就方案如图1；

电阻加热炉温度控制系统是以STC89C52单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动芯片，固态继电器对电炉温度进行控制的微机控制系统。其系统的结构框图可表示为系统采用单闭环形式，其基本控制原理：将温度设定值(即输入控制量)和DS18B20检测得到的温度反馈值得到的偏差送入控制电路部分，然后单片机通过PID算法对偏差处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。系统运行的时间通过定时器中断定时，用户可以通过键盘对设定时间和设定温度进行设置，采集到的实时温度、时间和设定的温度都通过LCD1602显示。

1.1 STC89C52单片机

STC89C52运算速度适合于嵌入式设计，并且价格低廉、体积小巧，它有5个中断源，它在传统51单片机的基础上，做了拓展和完善，最明显的是4K字节系统可编程Flash存储器改为了8K字节，使得存储的程序更多，它性能稳定易于编程，能够给温度控制系统提供灵活且稳定的控制。

1.2 DS18B20数字温度传感器硬件电路设计

DS18B20超小的体积，超低的硬件开销，精度高，附加功能强，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，并且DS18B20的温度检测与数字数据输出全集中于一个芯片上，抗干扰能力强。在本设计中，DS18B20的DQ口接P2.2口，GND接单片机的地线，VCC接单片机的VCC口。DS18B20电路设计如图2所示，由于DS18B20是单总线结构，在硬件中需要一个约5K的上拉电阻。

1.3 LCD1602液晶显示电路设计

本设计采用的LCD1602为引脚直插式，将LCD1602插入预先与单片机引脚连接好的槽内，根据引脚所对应的端口，在程序中进行端口定义并进行编程。LCD1602有着16个接口，它们的连接方法如下：GND端口接地，VCC接电源的正极，VL接电位器，RS是读命令输入口，接到单片机的P3.5口，RW是写命令输入端，接到单片机的P3.6口，EN口为LCD1602的使能端，接到单片机的P3.4口，下面D0到D7八个口为8位数据输入/输出端，接到P0口。BL+为背光的正极，接到单片机的电源的正极，BL-为背光的负极，接地。

1.4键盘模块电路设计

本设计采用独立键盘，键盘为2*4，一共8个按键，每个按键各接一根输入线，彼此相互独立，互不干扰，真正使用到的按键为7个，独立按键模块较为简单，在本设计中依次将其连接到P2.0到P2.6。

1.5继电器模块电路设计

本设计中使用PWM波控制固态继电器，进而控制加热棒开合，进而控制温度。本设计中的固态继电器选用欧姆龙5V固态继电器240V/2A，它的输出带电阻式保险丝，保证了用户的用电安全。它有5个端口，其中DC+接电源正极(按固态继电器电压供电)DC-接电源负极CH固态继电器模组信号触发端，低电平信号有效，它还有220V的火线接口和零线接口，用来给加热棒供电。信号触发端口与单片机的P1.0端口相接，用P1.0的输出来控制其开启或者关断。如图3所示；

2、软件总体设计

根据加热过程控制系统的设计方案，先把系统的总体框架确定，然后再在这个大的框架下构思各个模块的子程序的设计，本设计的子程序主要包括LCD1602显示模块的驱动程序、DS18B20温度传感器的温度数据读取程序、温度控制程序和定时程序。系统的总体的流程图如图4所示；

3、PID控制器设计

电加热炉是一个非线性、时变系统，所以在本控制系统采用的是智能控制算法，即PID控制算法，通过对于设定温度和实际温度的差值的比列，微分，积分三者结合得到的算法结果来控制执行机构的执行状态，从而可以让控制系统中的控制时间，超调量，滞后反应以及最后的稳定程度都能有较明显的改善。

3.1搭建数学模型

在实际生产过程中，大部分电阻加热炉温度控制系统的表达可以使用一阶惯性环节来描述，我们通过利用实验室的现有资源--热得快代替电阻加热炉进行实验获得的数据也验证了这一点，通过温度和时间(每隔30s记录一次数据，只采集了55℃-75℃之间的27组数据)的关系得到阶跃响应曲线如图4；

从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。因此我们选用：

(式(1)中：G(s)为系统输入与输出总热量之比；s为时间t经过拉氏变换后对应的参数；k为放大系数；T为过程时间常数；τ为纯滞后时间)作为电加热炉温度系统的数学结构模型。

(1)k的求法：k可以用下式求得：

式(2)中：Δu为阶跃输入幅值；y(∞)为响应稳态值；y(0)为响应初始值。

(2)过程时间常数T和滞后时间τ的求法如下：

因为阶跃曲线上的拐点不容易确定，我们可以直接取阶跃响应曲线上所对应的t₁和t₂，再按下式计算滞后时间τ和过程时间常数T，即T＝2(t₂-t₁)；，τ＝2t₁-t₂。(t₁和t₂分别为不同温度所对应的时间)。

取的数据分别为：t₁＝165,t₂＝327,y(0)＝55.7,y(∞)＝75,

输入控制量u＝5曲线趋于稳定后更改输入控制量u＝7,按照公式求得数据为：

k＝10；T＝324；τ＝3。

所以，传递函数为：

那么，接下来进行用此数学模型进行MATLAB仿真来整定PID控制器的参数。

3.2通过MATLAB仿真来整定PID控制器的参数

1)常规PID参数整定

根据PID控制模型，利用SIMULINK灵活的非线性设计功能，可建立倒SIMULINK模型如图6；

温度设定为50℃，根据传递函数的各项系数，调节PID的各个参数，当K_p＝0.078、K_I＝0.013、K_D＝0.118的时候，运行SIMULINK模型，得到仿真曲线图7；

从图可以看出系统在稳态时有比较小稳态误差，超调量为8.2％，在暂态时最大超调量比较大，曲线也比较陡峭，这么长的调整时间要求非常高的控制系统，所以还必须进一步调整控制参数，以使得系统工作在最佳的控制状态，通过多次试验，当K_p＝5、K_I＝0.02、K_D＝5时得到最佳的控制效果如图8所示；

2)在不改变参数的情况下，给系统加一个干扰，如图9：

未进行PID整定和加干扰后进行PID整定仿真曲线如图10所示：

根据图常规PID的抗干扰性测试看出，本次试验得到的参数还是比较理想的。经过常规PID的抗干扰测试，可以看出系统的响应曲线基本没有太大波动。

使用Simulink工具实现PID控制器模型，使用阶跃响应激励得出响应曲线。对实验采集数据归一化处理，与未加PID调节的温度控制系统出现很明显的震荡，调节时间也很长。通过比较可知，PID控制系统能够大大减小上升时间和调节时间，减小稳态误差，对动态性能上和稳态性能指标都有很大改善。

3.3PID参数在单片机的应用

本设计中使用了PID算法进行温度的控制，通过PID算法的输出来调节占空比，占空比反映到实际中就是P1.0口所接的固态继电器的通断，而加热棒又接在固态继电器上，所以PID算法是控制加热棒的通断时间之比，进而控制加热棒的输出，使温度的控制更加精确稳定。通过实际输出值和设定值的差得到误差，然后将误差代入到公式中，通过PID算法计算后得到计算机输出值，然后通过输出值与255之比得到P1.0口输出的占空比，以此来控制温度维持在50度左右，这个过程要维持到设定的时间结束。

4、系统调试

系统上电后各个部分均可以正常运行，当启动按键按下前，系统的计时、温度检测和温度控制并不运作，只有当启动按键按下后，系统才开始进行计时、温度检测和温度控制等操作。

在Matlab中对温度进行建模仿真经过多次调整得到最佳PID参数，在此基础上进行单片机调试，LED灯一直处于亮灭交替的状态，这个亮灭的时间是根据占空比进行控制的，当LED灯1亮，则此时固态继电器不吸合，停止加热，当LED灯1灭，则此时固态继电器吸合，开始加热。调试过程中可以看出这两个过程中运行指示灯LED灯2均亮灭交替，且温度越低，亮的时间越长，灭的时间越短，符合预期的设定，实际调试中运行与以上预期均一致。

5、结论

本次设计是针对目前国内市场上对电阻加热炉温度控制易受外界干扰且电路设计不合理等问题进行的部分完善，在STC89C52单片机中应用了PID控制算法来对传统加热炉温度控制系统进行了改进，使得该系统具有整体结构简单、温度控制的精度较高、实时性好、功能稳定可靠等优点。

Claims (2)

1.一种基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法，其特征是：将温度设定值和DS18B20检测得到的温度反馈值得到的偏差送入控制电路部分，然后单片机通过PID算法对偏差处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制；系统运行的时间通过定时器中断定时，用户可以通过键盘对设定时间和设定温度进行设置，采集到的实时温度、时间和设定的温度都通过LCD1602显示；

PID控制器设计：

控制系统采用智能控制算法，即PID控制算法，通过对于设定温度和实际温度的差值的比列，微分，积分三者结合得到的算法结果来控制执行机构的执行状态，从而可以让控制系统中的控制时间，超调量，滞后反应以及最后的稳定程度都能有较明显的改善；

搭建数学模型：

选用：

作为电加热炉温度系统的数学结构模型；

式(1)中：G(s)为系统输入与输出总热量之比；s为时间t经过拉氏变换后对应的参数；k为放大系数；T为过程时间常数；τ为纯滞后时间；

(a)k的求法：k可以用下式求得：

式(2)中：Δu为阶跃输入幅值；y(∞)为响应稳态值；y(0)为响应初始值；

(2)过程时间常数T和滞后时间τ的求法如下：

因为阶跃曲线上的拐点不容易确定，直接取阶跃响应曲线上所对应的t₁和t₂，再按下式计算滞后时间τ和过程时间常数T，即T＝2(t₂-t₁)；，τ＝2t₁-t₂。；t₁和t₂分别为不同温度所对应的时间；

取的数据分别为：t₁＝165,t₂＝327,y(0)＝55.7,y(∞)＝75,

输入控制量u＝5曲线趋于稳定后更改输入控制量u＝7,按照公式求得数据为：

k＝10；T＝324；τ＝3。

所以，传递函数为：

那么，接下来进行用此数学模型进行MATLAB仿真来整定PID控制器的参数。

2.根据权利要求1所述的基于PID控制的电加热炉智能温度控制系统设计方法，其特征是：所述进行MATLAB仿真来整定PID控制器的参数，步骤如下：

1)常规PID参数整定

根据PID控制模型，利用SIMULINK灵活的非线性设计功能，可建立倒SIMULINK模型；温度设定为50℃，根据传递函数的各项系数，调节PID的各个参数，当K_p＝0.078、K_I＝0.013、K_D＝0.118的时候，运行SIMULINK模型，得到仿真曲线；当K_p＝5、K_I＝0.02、K_D＝5时得到最佳的控制效果；

2)在不改变参数的情况下，给系统加一个干扰；未进行PID整定和加干扰后进行PID整定仿真曲线。