具有PID自整定功能的温度控制系统的设计

温度控制,系统设计,智能控制

　工业控制与应用

Industry Control and applications

《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第７期

具有ＰＩＤ自整定功能的温度控制系统的设计

田艳兵

（青岛理工大学　自动化工程学院，山东　青岛　２６６５２０）

摘　　要：该系统以飞利浦公司生产的５１系列单片机Ｐ８７ＬＰＣ　７６４为主控制芯片，以热电偶为温度采集元件，通过温度补偿电路实现

温度的精确测量，并通过控制继电器的开和断实现温度的闭环控制。文章主要介绍该系统的硬件构成原理，给出了系统的硬件电路图；给出了系统主程序的流程，以及ＰＩＤ自整定算法的实现。

关键词：飞利浦单片机；　自整定；　温度控制；　模拟Ａ／Ｄ转换

中图分类号：ＴＰ３６８．１　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２００６）０７－００３３－０４

The Design of an Auto-Tuning PID Controller for Temperature Control

TIAN Yan-bing

(Qingdao technological university, automation engineering college, Qingdao 266520, China)

Abstract: The central unit of the system is P87LPC 764, and a thermocouple is used to measure the temperature. A relay is used to

realize the tuning function. The design of the hardware and software are also introduced.

Key words: Philips control unit; auto-tuning; temperature control; analog A/D convert

１　引言

温度控制系统是现代工业生产中最常用的一种控制系统，也是现代自动化控制中经常用的控制手段。温度控制可大致分为两类：动态温度跟踪控制与恒值温度控制。动态温度控制要求实现的控制目标是使被控对象的温度值按照预先给定的方式变化；恒值温度的控制目标是要实现使被控对象的温度值恒定在某一点上，控制精度要求较高，并且要有较小的超调量。本文所研制的加热器采用恒值温度控制，采用ＰＩＤ自整定控温算法［６］。

ＰＩＤ控制是最早发展起来的控制理论之一，算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。ＰＩＤ调节功能可以通过运放电路或软件方法来实现，前者称为模拟ＰＩＤ调节器，后者称为数字ＰＩＤ调节器。数字ＰＩＤ调节器的参数可以实现在线整定，具有较大的灵活性和较好的控制效果。随着科学

技术的迅猛发展，温度控制成为控制领域非常重要的一项控制指标，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统形式也日趋多样化。温度控制仪表广泛应用于各行各业。采用单片机为核心控制单元，对于温度控制精度高，稳定性好，采用数字量进行调节，自动化水平高，具有良好的经济效益和一定的推广价值。

２　　系统的设计方案

该控制系统要求实现设定温度的实时控制，操作人员可以通过键盘设定目标控制温度，通过单片机的逻辑程序控制，实现温度的高精度控制。系统硬件设计中的ＩＣ均采用ＳＯＰ封装格式，节省了线路板空间，增加了线间距离，提高了系统的抗干扰性能。整个控制系统的组成主要分为三部分，即由飞利浦公司生产的Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ单片机所构成的单片机控制系统；由Ｋ型热电偶、温度补偿，运算放大电路模拟Ａ／Ｄ转换电路构成的温度检测通道；由三极管运放电路和固态继电器和外部电炉丝加热器构成的输出控制通道。其中，

收稿日期：２００６－０１－１０

单片机控制系统是整个系统的控制中心，所有的数据

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运算、处理和交换功能都是利用单片机的软件来实现。了飞利浦单片机的１．５管脚的施密特触发功能，只有当检测到管脚电平到达或者低于一个电平数值的时候才认同是有键被按下，并通过延时处理程序，即当程序通过施密特触发检测到有按键落下后仍要经过一个延时进行再判断，只有确定仍然处于按下状态时才认定按键落下，进而跳转至相应的按键处理程序。

检测电路的温度检测元件是Ｋ分度热电偶，经由冷

图１　系统整体设计方案

工作时，设定温度由操作人员通过键盘设定，并通过ＬＥＤ显示设定温度值；由Ｋ型热电偶检测温度环境实际温度值，经过冷端温度补偿、运算放大器和模拟Ａ／Ｄ转换后，将温度信号送入单片机，并实现测量温度的实时显示。程序控制系统将检测温度值与系统设定值进行比较，按照自整定ＰＩＤ控制算法进行运算，通过输出ＰＷＭ信号去控制固态继电器的导通时间，从而控制外部控制电炉丝的平均输出功率，实现环境的温度控制。图１是系统的整体设计方案。

端补偿、运算放大ＯＰ０７Ｃ后，由Ｐ０．５采集，实现模拟Ａ／Ｄ转换［２］。Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ单片机本身不含Ａ／Ｄ转换器，其Ａ／Ｄ转换原理可以通过图２说明。Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ内部含有两个模拟比较器，当只需要检测一路模拟信号时，正向输入信号为Ｐ０．４，反向输入信号为Ｐ０．５，直流信号Ｖｉｎ从ＣＩＮＩＡ输入，充电电路由Ｒ和Ｃ组成，通过放电保护电阻输入到ＣＭＰＲＥＦＦ端口，当电容器上的电压Ｕ和待测电压相等时，从ＣＭＰ１的ＣＯ１上边可以检测到下降沿，也就是说在ＣＭＰ１的ＣＯ１上可以检测到下降沿时，Ｖｉｎ和Ｕ正好相等，而Ｕ可以由充电公式算出：Uc=Vcc(1 e )

式中Ｖ

ｃｃ

３　　系统硬件设计方案

系统硬件设计采用Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ单片机为控制ＣＰＵ，配合外部数据存储器２４０Ｃ２，利用ＯＰ０７Ｃ算放大器实现温度的采集功能。通过控制外部三极管运放控制继电器导通时间实现温度的实时控制。

，Ｒ，Ｃ三个数据为已知值，只要测量出

Ｕｃ＝ｖｉｎ　所需要的时间，就可以得出待测电压Ｖｉｎ。

３．１　　Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ单片机［１］

Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ单片机是飞利浦公司生产的２０引脚封装的单片机，适合于多种要求高集成度、低成本的场合，可以满足系统性能要求，Ｐ８７ＬＰＣ７６４ＢＤ是飞利浦公司中小型封装的一种，可以提供高速和低速的晶振模式，采用５１内核，其指令执行速度是普通５１单片机的２倍，有１２８Ｂ的ＲＡＭ，４ＫＢ的ＯＴＰ程序存储器，Ｉ／Ｏ口功能强大，为实现系统的功能提供了硬件保障。

图２　模拟Ａ／Ｄ转换器

采集后的电压值，可以根据Ｋ分度热电偶的温度和电压信号的对应关系，利用查表的程序设计得到实际的温度值，并将此温度值与实际设定值进行比较，经过ＰＩＤ运算，ＣＰＵ通过Ｉ／Ｏ口改变控制脉冲宽度，从而控制电热丝的导通比率，得以控制电热丝的输出功率，实现温度控制。执行器件采用固态继电器，通过软件支持，输出可以改变占空比的ＰＷＭ波信号，从而改变固态继电器的通断时间，从而实现温度调节。

系统的显示采用ＬＥＤ七段数码管显示，在ＬＥＤ显示时，其点亮时间有着比较严格的要求，也就是说ＬＥＤ的电流流通时间是准确的，经验上取ＬＥＤ的电流流通

３．２　　控制电路设计

整个系统的硬件设计主要分为五部分，即电源电路部分、键盘电路部分、检测电路部分、控制及显示电路部分以及输出控制。电源电路由交流２２０Ｖ经变压器提供２ …… 此处隐藏：4763字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……