基于PID算法的温度控制器设计

摘要：PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。木文介绍了PID控制技术的发展历史和研究进展和用PID算法控制温度，使系统根据环境变化处于最佳状态，系统能够根据需要调整参数，记录温度，并且在PC机上，显示温度曲线。 关键词：PID控制；结构简单；参数调整；温度；PC机 1.??? 引言??? 11.1??? 国内外研究进展??? 11.2??? 论文研究内容??? 21.3??? PID控制算法??? 21.4??? 增量式PID控制算法??? 32.??? 系统概述??? 32.1方案的选择??? 32.2系统总体设计方案??? 43.??? 系统硬件电路??? 43.1单片机的简介??? 43.1.1主要特性??? 53.1.2管脚说明??? 53.2复位电路??? 73.3 晶振电路??? 73.4温度传感器??? 93.5点阵LCD的显示??? 123.6串行通信??? 153.6.1? MAX232资料简介??? 163.6.2 串行通行的具体实现??? 163.7.发声模块的设计??? 173.8驱动电路??? 184系统程序设计??? 184.1单片机主程序??? 184.2发送程序设计??? 194.3 接收程序??? 204.4温度读取程序设计??? 214.4.1 DS18B20的初始化??? 214.4.2对DA18B20的读写操作??? 224.5按键程序??? 294.6 LCD??? 344.7Pid算法程序??? 354.8上位机的实现??? 384.9 PID仿真程序??? 435 具体实现??? 46总结??? 47致谢??? 48参考文献??? 49附录??? 50 1.1? 论文研究内容 本文是用DS18B20采取现场温度，设定PID算法的参数，经PID控制算法计算后，输出相应的PWM波控制加热装置，其中在单片机上有一个键盘可以用来编制PID算法的参数，并且系统能够将温度和设定的参数讲过串口发送到PC机，PC机也能够设定PID算法参数，在PC端记录历史温度，将数据保存到一个b.dat的文件中，以图表曲线的形式显示出来。 1.2? PID控制算法 ??? PID控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。而采用PID控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度取决于PID控制器参数的整定。PID控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。 对于PID这样简单的控制器，能够适用于广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下两个方一面:原理简单、结构简明、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器;控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性，确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。 但从另一方面来讲，控制算法的普及性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面:算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等受控对象时，需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；出于同样的原因，决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服跟踪控制的不同性能要求。 如何更好地定III控制器的参数一直是PID控制器设计的主要课题。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。传统的PID控制算法或是依赖于对象模型，或是易于陷入局部极小，因此存在一定的应用局限性，且难以实现高性能的整定效果，常常超调较大、调整时间较一长、误差指标过大等。常规的控制系统主要针对有确切模型的线性过程，其PID参数一经确定就无法调整，而实际上大多工业对象都不同程度地存在非线性、时变、干扰等特性，随着环境变化对象的参数甚至是结构都会发生变化。自Ziegler和Nichols提出PID参数经验公式法起，有很多方法已经用于PID控制器的参数整定。这些方法按照发展阶段，可分为常规PID控制器参数整定方法和智能PID控制器参数整定方法。