(完整word版)基于PID法温度控制

基于PID法的温度控制

摘要：一种新型的PID温度控制系统，该系统采用单片机芯片，可方便对系统加热周期T及PID中的个参数进行线性修改；具有对高低进行报警功能。主要研究PID算法。

关键字：单片机；温度控制；PID控制器

引言：在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，为了达到所需的精度范围，采用PID控制，对PID的各种参数进行整定以满足不同的场合。

一、温度控制器的主要问题及解决方法

1、传统的温度控制器的问题

传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，

开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。

2、PID控制解决

要解决温度控制器这个问题，采用PID控制技术，是明智的选择。PID控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。但是用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。

二、该温控系统的结构和原理：

1、系统的结构：

系统功能主要实现断水保护和高水位指示、自动保温、自动报警

及高温保护功能。用双排数码管分别显示设计与测量温度，保温时间，加热周期及PID 的各参数，当测量温度达保温温度时，数码管显示设定温度。当达设定温度时，数码管应该切换到设定的保温时间，并倒计时。

控制结构图：

2、系统原理：

1）、温度采样及转化

温度传感器t P 100铂热电阻在0~850°C 间，其电阻t R 和温度T 的关系为：

)1(20BT AT R Rt ++= 0R ：0ºC 时的电阻值，为100Ω

A=3.90802×1310--C o

B=-5.802×

2710--C o 由于电阻Rt 和温度T 之间的关系是非线性的，因此在设计变送

器时必须进行线性校正，本系统采用三线制铂热电阻测温电桥电路。输出电压U。与电阻Rt之间成近似线性关系。在控制精度范围内有效解决非线性问题。

2）、数据显示和键盘控制

当系统工作时，数码管显示设定温度和检测温度，到达设定温度范围内采用PID控制算法对温度进行有效控制，保温倒计时。用串行方式，可有效消除扫描显示的抖动问题。可通过键盘对PID及加热周期参数进行在线设定和修改。

三、系统控制算法：

1、系统中PID控制算法的设计

PID控制目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一定的范围内。在控制系统中，首先将需要控制的被测参数有传感器产生一定的参数后与预先设定的值比较，把比较得到的差值信号经一定的

运算规律得到相应的控制，不停地进行上述的工作，从而达到自动调节的目的。PID控制原理的基本方法应系统的不同而不同。本系统采用的积分分离PID控制算法，控制量输出为位置式的输出形式。采用此法即保持了积分作用又减少的超调量，是控制有较大改善。

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e(k)、e(k-1)、e(k-2)为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。

2、系统中PID 设计的优点和方法

这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号，同时对控制输出量的初始值没有要求，所以很快就可以进入稳定控制过程。

对于加热温度的控制可以采用调节电压或者在一定的时间循环周期内的供电时间比例调节加温控制温度。本系统采用的是调节加热时间比例的方法:首先设计一个标准加热周期，比如2分钟，系统就在这个2分钟周期内对输出进行控制，也就是说这个两分钟加热多少时间。更据计算可以让加温时间在0---2分钟内变化，比如计算所得在这一个周期内加热1分10秒，经过2分钟后再检测被加热物体的温度，通过计算加热1分5秒等等，在这除了加热外就是不加热，等待下一个周期的到来，再进行实际测量计算下一个周期系统的输出量，周而复始，不断地修正输出量，以达到对温度的有效控制。

增量式PID算法流程图：