单片机炉温控制pid系统

计算机控制系统课程设计基于炉温的pid控制系统1、【选定题目】：2、【任务要求】：对工业上的连续槽反应器温度控制系统进行定性建模，充分考虑过程控制当中的大延迟环节与主要干扰源，在理论上设计适用于该控制系统的控制器，并利用matlab的simulink进行建模与控制系统仿真，要求做到系统的阶跃相应超调量不超过5%，对于大幅度长时间的干扰调节时间不能超过系统延迟时间的两倍，尽可能消弱调节过程中的震荡过程。

利用STC89C51单片机实现系统的控制环节，编写相对应的C程序，并设计系统的传感器模块和执行器块，并通过Protues 进行硬件部分的仿真。

最终提交控制器模型与参数、Simulink仿真结果、单片机的程序与硬件部分的设计。

3、【系统总体方案】：3.1、系统简介与建模续槽反应器中，物料自顶部加入，经反应后从底部排出产品，反应产生的热量有冷却夹套当中的冷却水带走。

为了保证产品品质，反应器内的温度必须得到精确控制，该控制系统通过控制冷却水的流量控制反应器温度。

各模块建模：调节阀模块：相当于一阶惯性滞后模块；夹套模块：是一个纯滞后模块；槽壁模块：是一个纯滞后模块；反应槽模块：由于反应槽内含有大量溶液，热容积比较大，可以视为时间常数较大的一阶惯性模块。

干扰源分析：该系统主要的干扰源分为两部分，一是来源于执行器与冷凝水的干扰，主要作用于调节阀模块。

一是来源于反应物质与溶液的干扰，作用于反应槽模块。

延迟环节分析：该系统主要的延迟环节有两个，一是调节阀模块的延迟，此环节延迟时间较短；一是夹套与槽壁模块的延迟，此为大延迟环节。

3.2、控制算法与控制系统框图设计由于数字PID 的位置算法的积分项是一个累加器，会占用大量的存储单元，故拟采用数字PID 的增量式算法。

为了减少系统的超调量，使用积分分离法抑制几分饱和，同时使用不完全微分的PID 算式来抑制高频噪声。

PID 算式如下：()[()(1)]()[()(1)]P I D D u k K e k e k K e k u k u k ∆=--++--且当|()e k |过大时，令I K =0。

考虑到由入口处冷却水温度变化带入的扰动，需要经过夹套内的冷却水、夹套与反应器槽壁、反应器内的物料这三个容积才会影响到反应器内的温度，故增加一个通过夹套内冷却水水温修正冷却水流量的副回路闭环控制系统，形成双闭环串级控制系统。

同时，由于本系统中包含一个大延迟环节，故通过一个理想的史密斯预估补偿器来补偿控制过程的动态特性。

控制系统框图如下：3.3、其它控制参数确定A/D 和D/A 位数均为8位，采用平均值滤波法，以0.1s 为一个周期，每个周期采5次样，取其算术平均值，作为该周期的采样值。

1()(1)[()(1)]f D D P D f f T u k u k K T e k e k T T T T=-+--++4、【控制系统仿真】：使用matlab的simulink对系统进行建模，并进行控制系统的仿真，整定控制参数。

4.1、系统建模第一个传递函数和第一个延迟环节代表调节阀模块，延迟时间为1，第二个延迟环节代表夹套与槽壁，延迟时间为5，第二个传递函数代表反应槽模块，时间常数较大。

第一个干扰源是来自于执行器与冷凝水的干扰，第二个干扰源是来自于反应物质与溶液的干扰。

4.2、PID控制器的设计Kp、Ki、Kd分别设定PID的三个参数，使用积分分离法抑制几分饱和，同时使用不完全微分的PID算式来抑制高频噪声，Constant用来设定积分门限。

Max1和Max2用来设定输出的控制参数的最大值与最小值，是不需要整定的，用来保证控制参数不会超出执行器输入信号的范围。

4.3、整定副回路的PID参数4.4、整定带噪声的副回路的PID参数4.5、整定整个系统的PID参数4.6、整定带噪声的整个系统的PID参数4.7、控制效果对比无副回路的控制系统无史密斯预估补偿的控制系统4.8、整定后的参数主控制器：Kp=3.2、Ki=1.2、Kd=0、积分门限：6副控制器：Kp=2、Ki=1.2、Kd=0.1、积分门限：35、【硬件模块设计】：5.1、执行器设计执行器采用电动调节阀，型号是VB3200型电动二通阀，规格使用DN50，该规格的流量系数为40m³/h，可以通过0~10V的直流电压来控制阀门开度，等百分比结构特性。

需要24V直流电驱动电机，还自带温度传感器和反馈回路，不过本次设计暂不考虑，使用开环控制电动调节阀开度。

5.2、测量单元选型（温度传感器）采用Pt100铂热电阻，使用电桥法测量，输出放大12倍，当温度从0~100℃变化时，测量单元的输出电压在0~4.85V之间变化。

5.3、基本CPU电路设计采用STC89C51单片机进行控制，P0和P1管脚接两个温度测量电路的输入值（采用ADC0809进行模数转换），通过P2管脚输出控制量，通过DAC0832转换成模拟量后放大两倍控制电动调节阀。

5.4、硬件系统整体设计6、【软件系统设计】：6.1、系统初始化设置定时器0和定时器1，定时器0用于提供采样信号与A/D转换开始信号，定时时间为10ms，定时器1用于提供ADC0809的时钟信号，定时时间为10uS，使用频率较高的40MHz的晶振。

程序如下：#include<reg52.h>void PID(void); //声明PID控制函数float sms(float control,float smsone); //声明史密斯预估器函数void output(void); //声明输出函数sbit P3_6=P3^6;sbit P3_7=P3^7;int j=0; //用来做采样标志unsigned char input1=0; //用来储存反应槽内温度unsigned char input2=0; //用来储存冷凝水出口端的温度float out1=0; //用来存储主控制器的输出float out2=0; //用来存储副控制器的输出float ek1,ek2,uk2; //用来储存两个控制系统前一个时刻的ek和ukfloat xdata input[50]={0}; //用来储存史密斯预估补偿器当中的值,由于会占用大量的data空间，所以存储进xdata当中int k=0; //用来确定需要调用input[]当中的哪个值float smszero=0; //用来存储史密斯预估器当中惯性环节上一个时刻输出地值void main(void) //主程序{TMOD=0x21; //T0生产采样频率，处于工作方式1；T1生成ADC0809的时钟信号，处于工作方式2。

TH0=0x7D;TL0=0xCB; //定时时间为10mSTL1=0xDF; //定时器1的定时时间10usEA=1;ET0=1;ET1=1;TR0=1;TR1=1; //开定时器中断0和1，开始计时P3_7=1; //确定ADC0809的start的起始信号为正ek1=0;ek2=0;uk2=0;while(1);}void TIME1(void) interrupt 3{P3_6=~P3_6; //通过P3.6发送频率为50kHz的时钟信号}6.2、检测模块使用定时器0中断，每10ms改变一次P3.7管脚的电平，下降沿ADC0809进行模数转换，上升沿单片机内部对P0、P1管脚进行数据采集，采集五次数据后进行平均值滤波，并进行控制算法计算。

程序如下：void TIME0(void) interrupt 1{ET0=0;TH0=0x7D;TL0=0xCB;P3_7=~P3_7; //通过P3.7输出控制ADC0809的startif(P3_7==1) //采集温度数据{input1=input1+P0;input2=input2+P1;j++;}if(j==5){j=0;input1=input1/5; //平均值滤波input2=input2/5;PID(); //调入PID控制函数}ET0=1;}6.3、控制模块使用增量型PID算法，添加积分分离模块，并将微分模块改为不完全微分模块，Tf取1s，采样时间T取0.1s。

软件实现串级控制系统。

程序如下：void PID(void) //PID函数{float ki1,ki2; //定义两个控制系统的Kifloat input_1,input_2,out_1,out_2,uk_2;input_1=input1;input_2=input2;input1=0;input2=0;input_1=(input_1*5)/0xff;input_1=(input_1*100)/4.85;input_2=(input_2*5)/0xff;input_2=(input_2*100)/4.85; //换算成温度input_1=80-(input_1); //换算成主控制器的输入input_2=40-(input_2); //换算成副控制器的反馈输入input_1=sms(input_1,input_2); //调用史密斯预估器补偿if(input_1>6) //积分分离ki1=0;elseki1=0.12;out_1=3.2*(input_1-ek1)+ki1*input_1; //主控制器out1=out1+out_1;ek1=input_1;if(out1>80)out1=80;else if(out1<-10)out1=-10;input_2=(out1*0.5)-input_2;if(input_2>3) //积分分离ki2=0;elseki2=0.12;uk_2=(uk2/1.1)+((input_2-ek2)/11); //不完全微分uk2=uk_2;out_2=3.2*(input_2-ek2)+ki2*input_2+uk_2; //主控制器out2=out2+out_2;ek2=input_2;if(out2>40)out2=40;else if(out2<-5)out2=-5;output(); //输出}6.4、史密斯预估补偿器的实现史密斯预估补偿器通过软件实现，需要用到一个包含50个变量的数组储存史密斯预估器的中间量，这样进行运算是就可以调用到5秒钟前的数值进行预估补偿。

程序如下：float sms(float control,float smsone) //史密斯预估器{k++;if(k==50)k=0;smsone=(2*smsone+0.5*smszero)/1.5;smszero=smsone;control=control+smsone-input[k];input[k]=smsone;return(control);}6.5、输出模块通过P2进行控制量输出。