基于PID的炉温控制系统
摘要:在科学实验中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。
为了保证科学实验正常安全的进行，提高实验的精确性，介绍了用AT89S51单片机为主要元件组成的
控制系统，并给出了部分硬件图、控制算法和软件流程图。
关键词：PID；炉温控制
1引言
电阻炉是一种利用电流通过电热元件产生的热量加热工件的热处理设备具有结构简单操作简便价格低廉等特点广泛用于工业中，而温度是工业对象中主要的被控参数之一。
在冶金、化工、机械、火工、食品等各类工业中,广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等,它们均需对温度进行精确的控制。
采用单片机进行炉温控制,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。
本文以加热炉为具体对象介绍温度控制系统的设计方法。
该系统是以AT89S51为核心建立起来的一个温度测量控制系统，加热炉的被控温度为0~500℃，精度：±0.5°C，显示分辨率0.2°C。
通过单片机显示温度值。
显示：000.0。
本文介绍炉温控制系统的设计。
图1 温控系统组成
1 硬件系统
本系统的硬件电路包括：过零触发电路、温度检测电路、双向可控硅触发电路。
电炉一般采用电阻丝作为加热元件，系统中温度传感器采用PT100。
炉体的加热通过加热电热丝的方法来实现。
工频220V电压被电阻分压后，经过运放输出得到幅值为10V的正弦电压，此电压的频率与工频电压频率相同，为50HZ。
经过芯片MC14528，正弦波整形为脉宽为2~3ms、周期为10ms的方波。
方波信号触发双向晶闸管导通，从而实现加热丝加热回路的导通，使加热丝正常工作加热炉体，电路如图2。
由图2可以看到LM311电压比较器将50HZ的正弦交流电压变成方波，得到的电压为10V。
方波的正跳沿和负跳沿作为单稳态触发器的输入信号，从单稳态触发器输出220v过零同步脉冲。
MC14528在Q1、Q2脚输出同步脉冲，脉冲的宽度为2~3ms ，Q1、Q2输出脉冲通过或门后，输出的方波信号变成可以触发双向可控硅的窄脉冲信号。
此信号进过光电隔离器MOC3061/3021，便可以触发双向可控硅。
此信号经单片机控制信号控制后，可以任意控制可控硅的导通关断，从而控制加热炉的开断。
图2
由于双向可控硅在驱动高电抗性负载时，由于电压电流相差不为零，因此需要在双向可控硅的过零触发电路中加入了保护电路，从图2中可以看到3R 为限流电阻，使输入的LED 电流能达到15mA ，的计算公式为：
3()cc F V V R I -=
F V ：为红外发光二极管的正向电压，可以去1.2~1.4V ；
I ：为红外发光二极管触发电流；
1R 是触发双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，1p TSM V R I =。
p V 为交流电路中峰值电压，TSM I 为重复浪涌电流。
5R 是双向可控硅的门极电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也比高，使用5R 能提高电路抗干扰能力。
在保护电路中将一个电阻和电容串联后并在负载两端形成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅，电阻和电容值可以选取39Ω和0.01uF 。
2 PID 算法
PID 控制算法是计算机控制的一个广泛应用的基本算法，而PID 控制的数字化是属于控制算法设计中的模拟设计法。
它是由连续系统PID 发展起来的。
具有原理模型简单，容易实现，鲁棒性强和使用面广等优点。
2.1位置式PID 控制算法
数字PID 控制算法通常分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。
位置式PID 公式是一个历史性的PID 参数，最明显的表现在于它有整个历史过程的积分，而增量式PID 是的比例环节是2个误差的差，积分环节变成了当前误差值，而微分环节变成了最后2次误差差值减去最后2,3次误差的差值的差，也就是说增量式误差的输出值最多只和最近3个输出的误差值相关，没有一个历史性的相关。
这个也就决定了位置式PID 和增量式PID 的最主要适用场合：被控机构有无自动的积分环节，例如步进电机就是自带积分环节，可以使用增量式PID 去控制，但是纯粹的液位控制、温度控制使用位置式PID 控制效果会更好。
位置式PID 表达式为：
[]0()()()()(1)k D p j I T T u k K e k e j e k e k T T =⎧⎫=++
--⎨⎬⎩⎭
∑ 其中：()u k 为K 时刻数字PID 控制器的输出，由于其输出值对应执行机构的位置，才、因此被称为位置式算法。
()e k 为第K 次采样时刻输入的偏差值; (1)e k -为第K-1次采样时刻输入的偏差值。
图3给出了位置式PID 控制系统。
r t ）
图3
2.2 PID 算法实现原理
对于PID 控制的实现，针对不同系统可以采用不同方式来实现，而本系统采用输出PWM 波控制双向可控硅的方式来控制电炉。
对于加温的温度控制可以采用调节供电电压或在一定的时间循环周期内的供电时间比例即PWM
波来调节加温控制温度。
调功法控制的原理是通过PWM 脉冲调宽功率放大器控制双向可控硅调节电阻丝的功率从而达到调节温度的目的。
设一个控制周期Tc 中有N 个完整的正弦波，则N Tc f =，f 为电网的频率，因此只要在在周期Tc 中控制主回路中周波数的通断n 就可以改变功率，对系统进行调节。
由于系统采用调节功率的方法来控制电炉的加温，即改变可控硅的通断时间比η，使信号整周波导通与整周波关断。
控制电路把负载与电源在周期Tc 内开通t1秒，然后在断开t2秒，从而来控
制加温。
112t t t η=+为导通率，负载上的电压z U ≈=，负载的功率2U n P RN = 对控制周期Tc 选择，最小的周期不应小于20ms ，因为我们使用电压220V ，工频周期为20ms 。
温控系统的控制信号周期的选取是很关键的，考虑到控制系统的精度，采样的周期越小是最佳的，但采样周期小，控制器占用计算机的时间就长，对于具有较大滞后系统，控制周期应该尽量选长。
本系统采用的控制周期为10s 。
2.2 PID 控制量的处理
单片机有3个16位定时器T0、T1、T2，在程序设计中可以使用中断的方式来控制PWM 还可以使用单片机中的中断。
在中断中可以需要完成对数据的采集和处理，以及PID 的计算，同时产生PWM 波的基本周期信号，以及PWM 波的控制信号。
设一个控制周期为20ms ，在20ms 中15ms 来加热，5ms 不加热。
当定时器T1中断时，立即对系统的温度采样，并将采样值送入算法中计算。
设定T1在5ms 中断溢出后，改变中断口的电平，并将中断时间改为15ms ，经过15ms 后进入下一次的中断，如此往复实现PWM 信号的输出。
用修改定时器中断初值的方法调整时间宽度变可以实现脉宽改变。
具体实现方式为，设n为定时器T1的初值，f为单片机的系统时钟，当系统在
f=11.059MHz的频率下可以得到PWM信号的加热时间宽度为
16
(2)
on
n
t f
-
=，通过改变
定时器T1初值n，既可以改变加热
on
t，从而控制电阻丝件的加热时间。
当n=0时电阻丝就一直加热，当n=65536时，电阻丝就处于不加热状态。
3 软件设计
本系统软件包括主程序和中断处理程序。
按照要实现的功能包括按键程序、显示程序、温度采集、PID调节等。
按键程序设置需要加热的目标温度，启动加温后，实时采集温度数据，并将温度值在数码管上显示，同时将温度数据加入PID算法中计算。
PID算出的温度控制是根据当前温度和目标温度误差，通过PID算法计算出的()
u k值用于控制电炉的开断。
由于本系统是通过双向可控硅触发来开断电炉的加热，所以PID算出的控制量需要通过调节PWM波的占空比方式，来改变双向可控硅的触发时间，从而控制加热功率，调节温度。
图5 数字PID算法程序流程图
4结束语
介绍了一种基于单片机的温度控制系统采用数字PID控制运用PWM 脉宽调制技术对电
阻炉温度进行控制，消除了温度控制系统的振荡和超调现象，实现了对温度的精确控制。
此控制系统有温度显示和按键控制，使用户能够随时对温度进行监控经过实验验证，该温度控制器结构简单体积较小测温准确，取得了较为满意的温度控制效果。
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