基于PID算法和89C52單片機的溫度控制系統

0 引 言
??? 溫控技術無論是在工業生產，還是日常生活中都起著非常重要的作用。在冶金、石油、化工、電力和現代農業等行業，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數之一，在普通家庭里熱水器、電飯煲、電烤箱等依賴于溫控技術的家電設備也是必不可少。可以說溫度控制技術無處不在。
??? 常規的溫度控制方法以設定溫度為臨界點，超出設定允許范圍即進行溫度調控：低于設定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實現簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達到穩定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。
??? 而采用PID算法進行溫度控制，它具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點，特別適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質要求又很高的控制系統。
??? 單片機作為控制系統中必不可少的部分，在各個領域得到了廣泛的應用，用單片機進行實時系統數據處理和控制，保證系統工作在最佳狀態，提高系統的控制精度，有利于提高系統的工作效率。本系統采用單片機編程實現PID算法進行溫度控制。

1 PID控制的原理和特點
??? 在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型，控制理論的其他技術也難以采用，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定時，應用PID控制技術最為方便。
??? PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時問和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。
??? PID一般算式及模擬控制規律如式(1)所示：
???
??? 式中：u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，即設定值與反饋值之差；KC為控制器的放大系數，即比例增益；TI為控制器的積分常數；TD為控制器的微分時間常數。PID算法的原理即調節KC，TI，TD三個參數使系統達到穩定。
??? 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此在計算機控制系統中，必須首先對式(1)進行離散化處理，用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：
???
??? 將式(2)和式(3)代入式(1)，則可得到離散的PID表達式：
???
??? 式中：△t=T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統有一定的精度(采樣定理)；E(K)為第K次采樣時的偏差值；E(K-1)為第K-1次采樣時的偏差值；P(K)為第K次采樣是調節器的輸出。

2 系統的硬件構成
??? 本系統由傳感器A／D采樣輸入、單片機控制、人機交互、控制信號輸出四部分組成，其中溫度傳感部分由測試采樣電路實現，人機交互由矩陣鍵盤和LCD液晶屏構成，PID控制算法由89C52單片機實現，控制信號輸出部分則由功率放大和開關控制電路組成。系統框圖如圖1所示。

3 主程序流程
??? 軟件程序是本控制系統的核心，它包括從溫度采樣到信號輸出的整個流程控制，其示意圖如圖2所示。

??? 程序功能主要由以下的幾部分組成：
??? (1)初始化：設定各參數的初始值，設定各中斷及定時器。
??? (2)接收／發射：此部分程序主要完成數據的控制及顯示，主要通過89C52單片機的全雙工串行口完成和鍵盤部分的雙向通信。
??? (3)PC機通信：此部分完成與微機控制接口RS 232的連接及通信的控制。
??? (4)數值轉換子程序：由于主程序中用到了很多的數值轉換及數值的運算(如十進制轉換成十六進制、雙字節與單字節的除法運算等)，為了程序調用的方便，特將其編寫成子程序的形式。
??? (5)PID算法。

4 實驗測試
??? 系統的性能與穩定度需要通過具體實驗測試完成。現用1 kW的電爐將電熱杯中的1 L清水進行加熱。
??? 觀測設定值和實測值之間的誤差(當水溫達到穩定時的值)，計算絕對誤差和相對誤差，見表1。

??? 設定溫度為50℃，每隔30 s記錄實測溫度，如表2所示。

??? 從表2中的數據可知，系統運行5 min時基本達到穩定。

5 結 語
??? 由實驗結果可以看出，系統的誤差基本穩定在±0．3℃，可見系統的精度很好。此外，系統運行5 min時溫度基本達到穩定，穩定所需時間較短。可以看出，基于PID算法的單片機溫度控制系統具有較高的精確度和穩定性，在溫度調節階段平衡溫度時間較短。因此本系統可以應用于各種對精度要求較高的溫度控制場合。