基于PID控制算法的炉温恒温控制系统的设计
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摘要：针对炉温恒温控制的特点，针对温度控制系统滞后的特点，采用了PID控制器设计方案，对控制算法和控制软件进行了设计，并应用仿真技术，选择适当的参数，使系统达到了满意的控制效果。
关键词：恒温控制；单片机；PID算；MATLAB仿真
中图分类号：TP2 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)27-6768-03
PID Control Algorithm Based on the oven Temperature Control System
FU Chun-yan
(Geographic Information Center of Shandong Tai'an City, Tai'an 271000, China)
Abstract: Characteristics for furnace temperature control, temperature control systems for the delay characteristics, using a PID controller design, control algorithms and control software design, and application of simulation technology, select the appropriate parameters of the system to achieve a satisfactory control effect.
Key words: temperature control; SCM; PID count; MATLAB simulation
1 系统硬件的选择以及控制电路
1.1 系统的总体设计
基于pid控制算法的炉温恒温控制系统主要由信息输入模块、数据采集模块、温度控制模块和显示输出等模块组成。其中采集模块主要是通过温度传感器完成温度的采集，提供给单片机为核心的控制部分进行智能推算，将处理后的数据通过单片机将运算结果输出给液晶显示屏，并对电加热炉温度进行控制。硬件电路图如图1所示。
1.2 主要硬件部分的 组成以及原理
1）微型计算机的选择
本设计采用的单片机是AT89S52，由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。该芯片具有如下功能：① 有1个专用的键盘/显示接口；② 有1个全双工异步串行通信接口；③ 有2个16位定时/计数器。这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本。
2）驱动执行部分
光耦合双向可控硅驱动器是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，由两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管，该二极管在5~15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发。
光电耦合器MOC3021和可控硅SCR组成驱动电路当MOC3021的脚2为低电平时，脚4和脚6之间的电压稍过0时内部可控硅导通，触发外部可控硅SCR导通负载Rl压得电.当脚2为高电平时，SCR被关断。与SCR并联的R4和c1,用于降低可控硅所受到的冲击电压，保护SCR和MOC3021,MOC3021将输出强信号进行隔离，用来避免源畸变和电网电压波动的影响，增强了电路抗干扰能力。本设计的硬件电路图如图2所示。
PID控制器根据温度给定值和测量值之间的偏差调节，给出调节量，再通过单片机输出PWM 波，调节可控硅的触发相位的相位角，以此来控制执行部件的关断和开启时间，达到使温度升高或降低的目的。随后整个系统再通过检测前一阶段控制后的温度，进行近一步的控制修正，最终实现预期的温度监控目的。
2 炉温控制系统的PID算法及仿真
根据炉温给定的偏差，自动接通或通断供给炉子的热能量，或连续改变热能源能量的大小，使炉温稳定有给定的温度范围，以满足工艺的需要。电热炉炉温控制室一个反馈控制调节的过程，比实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。对于偏差的比例、积分、微分产生控制作用（PID控制），是整个过程控制应用广泛的一种控制形式。图3是典型PID控制系统结构图。
在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。PID控制算法的模拟表达式为：
式中
P(t)：调节器输出 ；e(t)：调节器的偏差信号；Kp：比例系数；Ti：积分时间；Td：微分时间。
对前一算式离散化，即为数字式的差分方程。
式中
T：采样周期；E(k)：第k次采样时的偏差值；E(k-1)：第k-1次采样时的偏差值；k：采样序号；P(k)：第k次采样时的调节器输出。
2.1 增量式PID算法程序设计
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，增量式PID流程图为图4所示。
2.2 MATLAB 仿真结果
SIMULINK工具箱是MATLAB软件的扩展，主要是动态系统的仿真。SIMULINK模块库中提供啦系统建模所需要的大部分模块，进入MATLAB环境后，只需要键入SIMULINK命令就可以打开该模块库，用户可以很据自己的需要的模块，用鼠标将其拖至自己的系统模型中，再划线连起来，构成系统的SIMULINK描述。
系统模型建好后，用户可以根据系统的不同需要，设置或更改模块的参数，然后打开仿真菜单，设置仿真的参数，启动仿真的过程，仿真结束后用户可以通过示波器（scope）或plot绘图函数观察系统仿真的输出。
2.3 电阻炉温控制系统的仿真
由于本次设计为炉温控制系统，闭环调节系统可以用一个阶滞后环节来近似，其电阻炉的经典传递函数为：
式中，
K为调节系统总放大倍数；τ为系统纯滞后时间；T为惯性时间常数。
其中根据课题设计可知：K=1，T=240s, τ=10s
进入SIMULINK环境，在元件库里选择所需要是元件，用鼠标将器件连接起来，得到一个完整方框图，如图5所示。
2.4 PID参数确定
在计算机控制系统中，经常使用改进的PID算法以实现更高的控制品质。PID控制器参数选择的方法很多，例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。但是，对于PID控制而言，参数的选择始终是一件非常烦杂的工作，需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。本设计采用的是试凑法，一般PID参数确定的步骤如下：
1）让调节器参数积分系数Ki=0，实际微分系数Kd=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数Kp，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。在simulink仿真得到当Kp=17，得到满意的控制过程。如图6所示。
2）取比例系数Kp为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数Ki，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。当Kp=14，Ki=0.04时，Kd=0时仿真图如图7所示。
3）积分系数Ki保持不变，改变比例系数Kp，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数Kp增大一些，再调整积分系数Ki，力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数Kp和积分系数Ki为止。
4）引入适当的实际微分系数Kd和实际微分时间TD，此时可适当增大比例系数Kp和积分系数Ki。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。最终得到符合系统要求的控制过程，如图8所示。
当Kp=13，Ki=0.05，Kd=17时满足系统要求。选定上述PID参数，调节时间为40s,超调量为1.46％，温度给定50次，共需要2000s，大约33分钟。符合系统要求。
3 结束语
由于许多工艺生产中，温度起到了很重要的作用。因此本设计做的是恒温控制系统。通过理论分析表明，PID控制较好地满足了恒温控制的各种要求，在这种理论指导下，采用AT89S52单片机实现PID控制，最终实现恒温控制。为了验证此次设计的准确性，以电阻炉作为实例，利用MATLAB仿真与SIMULINK有机结合来完成，将设计结果用示波器的波形显示出来。虽然仿真环境不可能与实际情况一样，但它的结果还是有相当的指导意义。由于仿真可快速、方便、多次的进行，从中找到较优的方案。经过反复调节PID参数，以及考虑系统的性能，最终确定了PID参数
结果表明，当系统施加给定升温时，系统无超调量，且稳态误差为1.46％，调节时间为30s,具有准确性和快速性。本次设计的恒温控制系统不仅能满足各项设计指标，并且具有体积小，结构简单，价格便宜，准确性高、可行性强等优点。
参考文献：
[1] 董诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高教育出版社,2001:335-336.
[2] 刘川来,胡乃平.计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008:100-130.