基于PID算法的电烤箱控制系统.docx
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基于PID算法的电烤箱控制系统
辽宁工业大学
计算机控制技术课程设计（论文）
题目：
基于PID算法的烤箱温度控制系统设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化093
学号：
090302084
学生姓名：
宋进帅
指导教师：
（签字）
起止时间：
2012.12.19—2012.12.28
课程设计（论文）任务及评语
学号
090302084
学生姓名
宋进帅
专业班级
自动化093
课程题目
基于PID算法的烤箱温度控制系统设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
采用单片机作为控制器，由pt100测量温度，与设定温度进行比较，经过PID运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，用三位LED灯显示。
被控对象为
，仿真研究时用
近似。
设计任务及要求
1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路和报警电路；
2、建立被控对象的数学模型；
3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；
4、仿真研究，验证设计结果；
5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
温度控制范围：
室温+20~260℃
误差小于：
±5%
进度计划
1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）
2、被控对象建模（1天）
3、算法推导，程序设计（3天）
4、仿真研究（2天）
5、撰写、打印设计说明书（2天）
6、答辩（1天）
指导教师评语及成绩
平时:
_______论文质量：
_________答辩:
__________
总成绩：
________指导教师签字：
_________
年月日
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
随着社会的不断发展，人们改造自然的能力也在不断的提高。
机器的诞生，为我们减少了部分或者全部的脑力劳动和体力劳动。
电子技术的诞生更是带来了翻天覆地的变化。
机电控制系统成为机械技术与微电子技术集成的共性关键技术。
人们通过它可以使机械完全按照自己的意愿来执行。
本设计采用单片机控制。
单片机在日常生活中的运用越来越广泛。
温度控制在工业生产中经常遇到。
从石油化工到电力生产，从冶金到建材，从食品到机械都要对温度进行控制.甚至在有些产品生产过程中温度的控制直接影响到产品的质量。
单片机温度控制无论是现在还是未来都会起到重要作用。
本文介绍了以AT89C51单片机为核心的电烤箱温度控制系统。
电烤箱的温度控制系统有两个部分组成：
硬件部分和软件部分。
其中硬件部分包括：
单片机电路、传感器电路、放大器电路、转换器电路、以及键盘和显示电路。
软件部分包括：
主程序、运算控制程序、以及各功能实现模块的程序。
文章最后对本设计进行了总结。
对温度控制系统的发展提出了几点建议。
关键词：
AT89C51；温度传感器；单片机；
目录
摘要
第1章绪论1
第2章烤箱温度控制的设计方案2
2.1概述2
2.2设计的要求2
2.3烤箱总体设计方案2
第3章烤箱温度控制系统各硬件的选择4
3.1控制器的选择4
3.2温度检测器的选用5
3.3A/D转换电路6
3.4输出通道设计7
3.5键盘电路设计8
3.6三位LED显示电路设计9
3.7报警电路设计10
第4章PID控制系统设计11
4.1PID控制特点11
4.1.1比例（P）控制11
4.1.2积分（I）控制11
4.1.3微分（D）控制11
4.2PID烤箱温度控制系统流程图12
4.3推导控制算法13
第5章课程设计总结16
参考文献17
第1章绪论
随着社会的不断发展，人们对机械的应用也越来越广，进而人们对机械运动的控制要求亦越来越高。
机电控制实现了以电气来控制机械。
单片机的出现使机电控制技术突飞猛进。
单片机出现的历史并不长，但发展迅猛。
自1975年美国德克斯仪器公司首次推出8位单片机TMS-1000后才开始快速发展。
1976年9月，美国Intel公司首次推出MCS-48系列8位单片机以后，单片机发展进入了一个新的阶段。
1983年Intel公司推出的MCS-96系列、1987年Intel公司又推出的80C96等位16位单片机。
近年来各个计算机生产厂家已进入更高性能的32位单片机研制、生产阶段。
单片机发展之快、品种之多。
其中最常用的主要有：
AT89系列单片机、AVR单片机Motorola公司的M68HC08系列单片机以及PIC单片机。
随着社会的发展，单片机的特点体现在体积小、可靠性高、使用方便等方面。
根据温度控制的特点，本次设计采用AT89C51单片机为控制核心，采用数字PID控制算法。
实现对电烤箱的温度的控制。
通过本次设计进一步详细说明单片机控制系统在社会生活中的应用。
为以后进一步应用单片机系统提供帮助。
温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。
温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。
该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。
第2章烤箱温度控制的设计方案
2.1概述
温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。
温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位LED静态显示。
该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。
2.2设计的要求
采用单片机作为控制器，由pt100测量温度，与设定温度进行比较，经过PID运算后调整温度控制信号的占空比，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值，用三位LED灯显示。
2.3烤箱总体设计方案
产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。
就温度控制系统的动态的特性来讲，基本上都是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法来实现温度的控制。
本系统是一个典型的闭环控制系统。
从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温的控制。
电烤箱总体设计方案结构图，如图2.1所示。
图2.1电烤箱总体设计方案结构图
电烤箱温度控制实现过程是：
首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机，然后单片机将给定的温度值和反馈回来的温度值进行比较并且经过运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。
即电烤箱温度控制得到实现，其中单片机的为加热炉控制系统的核心部分起着重要作用。
第3章烤箱温度控制系统各硬件的选择
3.1控制器的选择
随着社会发展，单片机以其体积小、可靠性高、使用方便的特点在社会生活中达到广泛应用。
根据温度控制特点，本次设计采用AT89C51。
AT89C51单片机是美国Intel公司的8位高档单片机的系列。
也是目前应用最为广泛的一种单片机系列。
图3.1AT89C51实物图
3.2温度检测器的选用
pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为：
当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工业原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
由于PT100热电阻的温度与阻值变化关系，人们便利用它的这一特性，发明并生产了PT100热电阻温度传感器。
它是集温度湿度采集于一体的智能传感器。
温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。
图3.2温度检测器实物图
3.3A/D转换电路
ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。
它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。
它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。
ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。
当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。
图3.3AD转换器接口电路
3.4输出通道设计
输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路组成。
在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。
光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。
此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。
因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。
所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。
MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。
其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us，输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。
图3.4光耦驱动电路
3.5键盘电路设计
如图3.1所示，16个按键排列成4行4列，4个行的引线分别同P1口的P1.4~P1.7相联接，4个列的引线通过一个上拉电阻分别联接到P1.0~P1.3口。
其中上拉电阻的值：
R=4.7V/1.6mA=3KΩ。
在键盘操作过程中若四个按键同时按下时，则需要的上拉电阻值为12KΩ，故此上拉电阻取值为10KΩ。
工作原理：
从0列开始，顺序行扫描，即该行输出为0。
每扫描一行，读入列线数据，从0开始，列检查，找该行输出为0的列，若无，则顺序扫描下一行，并检查其各列；若找到某列线为0，则该列与检查行交叉的按键为被按下的键。
从0行0列开始，顺序将按键编号，就可以按扫描的值得到按键的值。
本电路中从P1.3~P1.0顺序输出0，再检查P1.7~P1.4。
此键盘的实现要用软件的方法识键和译键。
图3.5键盘电路设计
3.6三位LED显示电路设计
如图所示，采用P2口输出到CD4511和74LS138两块芯片上。
其中CD4511连到P2口的0~3口；74LS138连到P2口的4~6口上。
74LS138为3-8译码器，用于控制8个共阴数码管的发光与熄灭。
它的作用是将P2.4~P2.6三个口的输出轮流点亮共阴数码管，频率大于24帧，因此人眼看出来的是八个共阴管同时亮。
CD4511将P2.0~P2.3口的数据译成共阴管的显示数据。
图3.6三位LED显示电路结构图
3.7报警电路设计
本设计采用峰鸣音报警电路。
峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过AT89C52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。
在图中，P3.0接晶体管基极输入端。
当P3.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.0输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
图3.7报警电路
第4章PID控制系统设计
4.1PID控制特点
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。
4.1.1比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
4.1.2积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
4.1.3微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。
4.2PID烤箱温度控制系统流程图
图4.1烤箱温度控制程序流程图
4.3推导控制算法
图4.2模拟PID控制图
1、PID控制规律的离散化
PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差
的比例（P）、积分（I）、微分（D），通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。
连续控制系统中的模拟PID控制规律为：
（式1）
式中
是控制器的输出，
是系统给定量与输出量的偏差，
是比例系数，
是积分时间常数，
是微分时间常数。
其相应传递函数为：
（式2）
比例调节器、积分调节器和微分调节器的作用：
（1）比例调节器：
比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数
。
比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。
加大比例系数
可以减小静差，但是，
过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。
（2）比例积分调节器：
为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。
积分调节具有累积成分，只要偏差
不为零，它将通过累积作用影响控制量
，从而减小偏差，直到偏差为零。
如果积分时间常数
大，积分作用弱，反之为强。
增大
将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。
引入积分词节的代价是降低系统的快速性。
（3）比例积分微分调节器：
为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。
微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。
由于计算机系统是一种采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当采样周期为T时，
（式3）
如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。
上式中
为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第i次采样时刻应达到的位置，因此，上式称为PID位置型控制算式。
可以看出，按上式计算
时，输出值与过去所有状态有关。
当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，可导出下面的公式：
（式4）
或
（式5）
式4称为增量型PID控制算式；式5称为递推型PID控制算式；
增量型控制算式具有以下优点：
（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；
（2）在i时刻的输出
，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差
、
，和前一次的输出值
，这大大节约了内存和计算时间；
（3）在进行手动—自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡；
控制过程的计算机要求有很强的实时性，用微型计算机作为数字控制器时，由于字长和运算速度的限制，必须采用必要的方法来加快计算速度。
下面介绍简化算式的方法。
按照式5表示的递推型PID算式，计算机每输出一次
，要作四次加法，两次减法，四次乘法和两次除法。
若将该式稍加合并整理写成如下形式：
第5章课程设计总结
我通过这次计算机控制课程设计的完成，让我对计算机其及单片机的理论有了更深入的了解，特别是计算机控制在工业温度上的了解。
更好的了解计算机控制这门课程对我的设计有着至关重要的作用，同时在具体的制作设计过程中我们发现现在书本上的知识与实际应用存在着不小的差异。
本论文设可以控制加热炉的温度，能够在一定条件下显示温度，并且稳定。
此设计具有硬件少，结构简单，性能稳定可靠，成本低等特点。
本设计的硬件图很多使用Protel99SE软件，使我明白这个计算机控制这门课程及软件技术对于我们专业的课堂设计的重要性。
好好的学习并利用我们所学的知识，综合运用各科知识，在这次的设计中扮演重要的角色。
总之这次课程设计让我把理论设计和实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合的方面全面的培养学生的全面素质。
这些在我今后的学习和工作当中都会有所帮助。
参考文献
[1]微型计算机控制技术，于海生主编，（全国普通高校优秀教材）北京，清华大学出版社，2009年；
[2]计算机控制技术，张波主编，（21世纪高等学校规划教材）北京，中国电力出版社2010年；
[3]计算机控制技术（第二版），薛弘晔主编，西安电子科技大学出版社；
[4]计算机控制技术，范立南主编，北京，机械工业出版社2004；
[5]MTALAB原理与应用[M]胡乾斌，李光斌，李玲主编，华中科技大学出版社，2002；
[6]过程控制潘立登主编，北京机械工业出版社,2008；
[7]MTALAB设计实例[M]楼然苗，李光飞主编，北京航空航天大学出版社，2003．
[8]单片微机原理与应用[M]．朱定华，戴汝平主编，清华大学出版社，2003；
[9]计算机控制技术，汤楠、穆向阳主编，西安电子科技大学出版社，2003；
[10]计算机控制技术，李明学主编，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2008；
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□
升级会员 