微型计算机控制技术课程设计 基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计

基于数字PID 的电加热炉温度控制系统设计

1总体方案设计

温度控制是工业生产中经常碰到的过程控制问题之一。对温度准确的测量和

有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。当今计算机控制

技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用

电子线路进行PID 调节的效果要好得多，可控性方面也有了很大提高[1]。

1.1设计要求

该系统为基于数字PID 的电加热炉温度控制系统。电加热炉用于合金钢产

品热力特性实验，迪娜加热炉用电炉丝提供功率，使其在在预定时间内江路内温

度稳定到给定的温度值。在本控制对象加热炉功率为8KW ，有220V 交流电源

供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制

温度范围50-350℃，保温阶段温度控制精度为±1℃。选择合适的传感器，计算机

输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象温控

数学模型为

1)(+=-s K s G T e d s d τ （1.1）

其中：时间常数T d =350s 秒

放大系数K d =50

滞后时间τ=10秒 控制算法选用改进的PID 控制。

1.2方案设计

要想达到设计要求的内容,少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD

显示屏、直流电动机等。其中单片机用做主控制器，控制其它器件的工作和处理

数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中惊醒数

值比较；LCD 显示屏用来显示温度数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工

作情况，转动表示迪娜加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断电停止加热。

整体思路如下：首先我们通过按键设定所需要的温度，然后利用温度传感器

检测电加热炉的实时加热温度，并传送至单片机与设定值进行比较。若检测值小

于设定值，则无任何动作，电加热炉继续导通加热；若检测值大于设定值，则单

片机控制光电耦合器导通，继电器动作，电加热炉断电停止加热。一旦炉温低于

设定值，单片机又控制光电耦合器断开，继电器开关分离，电加热炉开始导通加

热。这个过程中电加热炉所设定的温度值和温度传感器检测到的温度值都要在

LCD 显示屏上显示出来，以便操作人员观察。系统总体框图如图1.1所示。

图1.1系统总体框图

2数字控制器设计

控制系统的性能在很大程度上取决于控制算法。随着计算机控制技术的发

展，相继出现了一些新的控制算法，但PID 算法应用较广泛。

PID 控制(Proportional Integral Derivative)是控制工程中技术成熟、应用

广泛的一种控制策略。经过长期的工程实践，总结形成了一整套PID 控制方

法。由于它已形成了典型结构，且参数整定方便、结构改变灵活，在大多数

工业生产过程控制中效果较为满意，因此长期以来被广泛采用，并且与新的

控制技术相结合，继续发展。

随着微型计算机的广泛应用，很多原来的连续控制系统都可以用计算机

控制系统代替，提高了控制系统的性能。可以说，现代控制系统实质上是计

算机控制系统。在计算机控制系统中也常常将PID 特性数字化，实施数字PID

控制。因此，PID 控制规律是一种极为重要的控制规律。

单片机控制模块 键盘设定模块

温度采集模块 信号放大电路 加热丝

电源模块 LCD 显示模块

控制电路模块 看门狗监控模块

所谓PID 控制规律，就是一种对偏差信号)(t e 进行比例、积分和微分变换

的控制规律。PID 控制规律的数学表达式如下式所示

u T K dt t de dt t e t e t u t

D i p 00])()(1)([)(+++=⎰τ （2.1） 0u 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。

下面把PID 控制分成三个环节来分别说明：

A. 比例调节(P 调节)

u K t e t u p 0)()(+= （2.2）

式中p K 为比例系数，0u 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。偏差

)()()(t y t r t e -=。偏差一旦产生，比例调节立即产生控制作用，使被控制的过程

变量y 向使偏差减小的方向变化。比例调节能使偏差减小，但不能减小到零，有

残存的偏差（静差）。加大比例系数p K 可以提高系统的开环增益，减小静差，从

而提高系统的控制精度。但当p K 过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。

B. 积分调节（I 调节）

在积分调节中，调节器输出信号的变化速度du/dt 与偏差)(t e 成正比，即

)(1t e dt du i τ=或⎰=T i dt t e t u 0

)(1)(τ （2.3） 其中i τ 为积分常数，i τ越大积分作用越弱。I 调节的特点是无差调节，与P

调节的有差调节形成鲜明对比。上式表明，只有当被调节量偏差为零时，I 调节

器的输出才会保持不变。I 调节的另一个特点是它的稳定作用比P 调节差。采用

I 调节可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能的提高，但积分调节使系统增

加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角迟后，对系统的稳定性不

利。

C. 微分调节（D 调节）

在微分调节中，调节器的输出与被调节量或其偏差对于时间的导数成正比，即 dt

t de t u d )()(τ= （2.4） 其中d τ 为积分常数，d τ越大微分作用越强。由于被调节量的变化速度（包

括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间设定值r 与实际输出值y 之间的