單片機(jī)溫度控制器

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE521引言1.1課題的背景及意義溫度是工業(yè)生產(chǎn)中需要控制的最常見(jiàn)最基本的工藝參數(shù)之一，例如：冶金、機(jī)械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理反映爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。PID溫度控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程控制中，是最廣泛的一種控制策略。從發(fā)展初期至今，PID控制器的各種參數(shù)整定方法層出不窮。但是由于PID控制器簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使它在品質(zhì)控制上有著局限性，并且使得PID控制器對(duì)大時(shí)滯、不穩(wěn)對(duì)象等被控對(duì)象的控制性能不是很好，同時(shí)PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)設(shè)定值跟蹤和抑制外擾的不同性能要求[1]。因此在實(shí)際應(yīng)用中，這些先進(jìn)的整定方法并沒(méi)有像預(yù)期的那樣產(chǎn)生完美的控制效果。隨著被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，如具有非線性、參數(shù)時(shí)變、數(shù)學(xué)模型無(wú)法精確獲得等特點(diǎn)的對(duì)象，傳統(tǒng)PID設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難取得良好的控制效果了。此時(shí)，用一些先進(jìn)的智能算法來(lái)改進(jìn)PID控制器已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)了。發(fā)展至今,溫度控制技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：1、定值開(kāi)關(guān)控制；2、PID控制；3、智能控制。定值開(kāi)關(guān)控制方法的原理是通過(guò)將所測(cè)溫度與設(shè)定溫度相比較,如果低于設(shè)定溫度，則啟動(dòng)控制開(kāi)關(guān)加熱，反之則關(guān)斷控制開(kāi)關(guān)。其控溫方法比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮溫度變化的滯后性，導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度低、超調(diào)量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個(gè)參數(shù)。PID控制對(duì)于確定的溫度系統(tǒng)，常用于一些線性定常系統(tǒng)的控制，控制效果良好，但對(duì)于非線性系統(tǒng)，例如控制大滯后、大慣性、時(shí)變性溫度系統(tǒng)，控制品質(zhì)難以保證。智能控制為解決這問(wèn)題提供了新的思路，因此成為目前工業(yè)控制質(zhì)量的重要途經(jīng)。模糊控制是智能控制研究中最為活躍而富有成果的領(lǐng)域，對(duì)于溫度控制這種復(fù)雜對(duì)象更具有良好的控制效果[2]。本文的研究對(duì)象為試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)其對(duì)溫度的控制，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故本文采用了改進(jìn)型PID控制的方法，即分階段切換控制的思想，以下將對(duì)該研究對(duì)象做一個(gè)詳細(xì)的介紹。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)，PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，由于PID具有簡(jiǎn)單、直觀、魯棒性好的特點(diǎn)，成為工業(yè)過(guò)程控制中最為常用的控制方式。目前，不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的溫度控制也主要采用PID控制。PID控制效果與控制參數(shù)的選擇有很大關(guān)系，而PID參數(shù)的整定是一項(xiàng)十分繁瑣的工作。雖然PID參數(shù)的整定和優(yōu)化的方法很多，但傳統(tǒng)的非智能整定方法如Zieger-Nichols法顯然是一種經(jīng)驗(yàn)法且并非最優(yōu)解，不能獲得理想的控制效果[3]。目前智能型整定方法如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID雖然能較好地實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的優(yōu)化，但需要在線整定，計(jì)算量大，使得控制器的負(fù)擔(dān)很重。溫控的控制受到被控對(duì)象、環(huán)境等諸多因素的影響，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方式控制器參數(shù)選擇將是件很困難的事。1.3一些先進(jìn)理論1.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與ＰＩＤ的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的線性系統(tǒng)建模[4]。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修止，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的。1.3.2模糊控制與PID的結(jié)合模糊控制與PID的具體結(jié)合形式有多種，主要是Fuzzy—PID復(fù)合控制和模糊自整定PID參數(shù)的方法。Fuzzy—PID復(fù)合控制是指當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)采用模糊控制[5]，這樣響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好：當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)采用PID控制，使其具有好的靜態(tài)性能，保證控制精度，是一種模糊控制和PID控制分階段切換控制的方法。模糊自整定PID參數(shù)的方法是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率，由模糊推理來(lái)調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則來(lái)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法[6]。1.3.3模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所依賴(lài)的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)一般不容易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對(duì)象的要求，所以應(yīng)該使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展?；谶@樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來(lái)修正系統(tǒng)偏差和偏差變化率的比例系數(shù)、修正模糊控制的隸屬函數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化模糊控制器的作用，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時(shí)控制的效果[7]。綜上所述，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及它們與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，都屬于智能控制方法，都能夠適應(yīng)像溫控箱這樣具有非線性、大慣性、純滯后、時(shí)變等特點(diǎn)的系統(tǒng)，尤其是模糊控制，無(wú)需知道系統(tǒng)的精確信息。1.4本文的主要工作本設(shè)計(jì)任務(wù)是要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，控制對(duì)象為實(shí)驗(yàn)箱的氣體，實(shí)現(xiàn)的功能是溫度測(cè)量和控溫：在測(cè)量部分，要求測(cè)量室溫～80℃的溫度范圍，測(cè)量的精度不高于0.5oC，測(cè)溫的結(jié)果要求顯示。在控制部分，要求提高溫度控制系統(tǒng)性能，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，提高控制精度，并在液晶顯示屏顯示溫度隨時(shí)間的實(shí)時(shí)變化。主要性能指標(biāo)有：(1)測(cè)量精度：±0.5℃；(2)控制精度：±1℃；(3)溫度設(shè)定范圍：室溫～80℃。(4)顯示：液晶顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度，并繪制出溫度的實(shí)時(shí)曲線。

2方案論證2.1硬件設(shè)計(jì)方案對(duì)題目進(jìn)行深入的分析和思考，可將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：控制器電路、溫度測(cè)量電路、鍵盤(pán)與液晶顯示電路、功率驅(qū)動(dòng)電路，PC上位機(jī)系統(tǒng)。2.1.1控制器電路

方案一：采用運(yùn)放等模擬電路搭建一個(gè)控制器，用模擬方式實(shí)現(xiàn)PID控制，對(duì)于純粹的溫度控制，這是足夠的。但是附加顯示、溫度設(shè)定等功能，還要附加許多電路，稍顯麻煩。同樣，使用邏輯電路也可實(shí)現(xiàn)控制功能，但總體的電路設(shè)計(jì)和制作比較煩瑣。方案二：采用FPGA實(shí)現(xiàn)控制功能。使用FPGA時(shí)，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)相應(yīng)的編程設(shè)計(jì)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)控制和顯示、鍵盤(pán)等功能，是一種可選的方案。但與單片機(jī)相比，價(jià)格較高，顯然大材小用[8]。方案三：采用單片機(jī)最小系統(tǒng)同時(shí)完成控制、顯示、鍵盤(pán)等功能，電路設(shè)計(jì)和制作比較簡(jiǎn)單，成本也低，是一種非常好的方案。綜上所述本設(shè)計(jì)采用方案三作為控制電路。對(duì)于單片機(jī)的型號(hào)有如下兩個(gè)方案：方案一：采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)作為控制器的方案。該單片機(jī)I/O資源豐富，并集成了語(yǔ)音功能。芯片內(nèi)置JTAG電路，但價(jià)格較高，相對(duì)性?xún)r(jià)比較低，且需要一定基礎(chǔ)。方案二：采用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集及處理，它是MCS-52系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品，使用時(shí)容易掌握。STC89C52運(yùn)行高速(最高時(shí)鐘頻率90MHz)、低功耗、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP)，不占用戶資源。本系統(tǒng)利用了STC89C52單片機(jī)，采用外部11.0592MHz晶振[9]。 將兩個(gè)方案比較便可得出一個(gè)結(jié)論，采用STC89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)本題目，電路簡(jiǎn)單，成本較低，經(jīng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行證明工作可靠，故選用STC89C52為該控制系統(tǒng)的核心。

2.1.2溫度測(cè)量電路溫控箱控制系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須明確它的組成部分。過(guò)程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象和測(cè)量變送單元。如圖所示。圖2—1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖可知，在這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)如圖幾個(gè)部分。除此之外，根據(jù)題目要求，還要選取合適的控制算法來(lái)達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)的要求。對(duì)于執(zhí)行器件、測(cè)量變送元件將在部分電路設(shè)計(jì)中有說(shuō)明。在這個(gè)部分主要是對(duì)控制器的確定和控制算法的選擇作一個(gè)詳細(xì)的介紹。因?yàn)檫@兩部分是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣，所以這是一項(xiàng)不容忽視的工作。 方案一：采用pt100或pt1000，但使用時(shí)往往有可能因?yàn)槟承┰驅(qū)е抡w系統(tǒng)不能達(dá)到pt100或pt1000自身所能實(shí)現(xiàn)的精度，且需配套使用AD7705A/D轉(zhuǎn)換器，大大增加了復(fù)雜性和成本。況且在應(yīng)用時(shí)，調(diào)理過(guò)程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，價(jià)格比較貴。 方案二：采用DS18B20，該傳感器測(cè)溫范圍為-55℃-+125℃，12位可編程測(cè)量分辨率為0.0625℃,在10～70℃的絕對(duì)精度也大多滿足0.5℃。最重要的是，18B20傳輸方式為數(shù)字式，采用單總線專(zhuān)用技術(shù)，非常節(jié)約I/O口[10]。既可通過(guò)串行口線，也可通過(guò)其它I/O口線與微機(jī)接口，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位），適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)，內(nèi)含寄生電源，這大大降低了操作和編程的難度。相對(duì)于Pt00或Pt000，DS18B20的價(jià)格低廉。 將此兩個(gè)方案作比較，最終選擇DS18B20作為溫度傳感器。2.1.3鍵盤(pán)與液晶顯示電路

鍵盤(pán)功能：選擇被標(biāo)定和分析的傳感器，設(shè)置溫度范圍，選擇要查看的對(duì)象，綜合這些要求，本系統(tǒng)采用四個(gè)獨(dú)立小按鍵，分別為啟動(dòng)模式、設(shè)置模式、賦值模式、換位模式。液晶顯示部分方案一：采用液晶1602顯示溫度，1602可以顯示溫度數(shù)值和ASCII碼，但無(wú)法顯示漢字且其兩行中間有間斷，不適合顯示溫度隨時(shí)間變化的曲線顯示測(cè)量溫度值。方案二：采用12864液晶顯示器。12864是一種內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)字符（8×16）及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示屏組成,含有2MBROM提供的8192個(gè)漢字和16KBROM提供的128個(gè)字符,可完成圖形顯示,也可以顯示漢字[11]。12864液晶顯示器能識(shí)別18條指令，分別實(shí)現(xiàn)光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、自定義字符、睡眠模式等多種功能。與微處理器的連接方式有并口和串口兩種。并口相對(duì)于串口雖然用了較多的I/O口，但是數(shù)據(jù)傳輸速度快得多。綜合比較而言，我們最終選擇了12864液晶顯示器作為液晶顯示模塊。2.1.4功率驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用電熱絲發(fā)熱，交流220V電壓供電。由于采用的STC89C52單片機(jī)可以直接產(chǎn)生PWM波，所以不需要再另行設(shè)計(jì)產(chǎn)生PWM波的模擬電路。為了將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行有效的電氣隔離，將STC89C52單片機(jī)的I/O口輸出之間接到光電耦合器上。但是光電耦合芯片輸出的電流功率太小，不足以驅(qū)動(dòng)加熱體。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，加熱系統(tǒng)需要較大功率，使用開(kāi)關(guān)電源供電，大功率開(kāi)關(guān)電源較難找，所以改用市電220V作為加熱體電源。其驅(qū)動(dòng)電路改為過(guò)零觸發(fā)型固態(tài)繼電器。2.1.5硬件設(shè)計(jì)最終方案

最終方案的選擇經(jīng)過(guò)上述各個(gè)模塊電路的分別討論，本著簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則，綜合考慮硬件構(gòu)成件編程的復(fù)雜程度以及價(jià)格和題目所要求的精確度等因素，最后決定選用了一個(gè)比較典型的硬件方案：(1)采用STC89C52芯片(2)溫度傳感器選用DS18B20集成數(shù)組測(cè)溫電路(3)液晶顯示采用12864液晶(4)鍵盤(pán)采用4個(gè)獨(dú)立按鍵(5)驅(qū)動(dòng)電路由固態(tài)繼電器，碳纖維加熱絲等組成(6)上位機(jī)串口通訊使用MAX232芯片2.2軟件設(shè)計(jì)方案如前文所述，溫度控制經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一是定值開(kāi)關(guān)控制，第二是基本PID控制，第三是智能控制。由于定值開(kāi)關(guān)控制原理上比較簡(jiǎn)單，所以此處我們暫且不介紹。關(guān)于基本PID控制與文中采用的改進(jìn)型PID控制算法，我們將在下文予以詳細(xì)介紹。2.2.1PID控制技術(shù)簡(jiǎn)介PID控制是在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過(guò)線形組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。在常規(guī)PID的應(yīng)用中P、I、D三個(gè)參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)改變參以改變控制性能。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控系統(tǒng)。對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性能/價(jià)格比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)實(shí)現(xiàn)方便，控制原理簡(jiǎn)單，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。(2)控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。確切的說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。但從另一方面來(lái)講，控制算法的普遍適應(yīng)性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾方面：(1)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)PID控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果。(2)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)，閉環(huán)特性從根本上是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。(3)出于同樣原因，決定了常規(guī)PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。2.2.2PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的控制規(guī)律就是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖2-2PID控制結(jié)構(gòu)框圖1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程式中2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)(1)比例作用對(duì)控制性能的影響比例增益KP引入是為了及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)比例增益KP大的時(shí)候，PID控制器可以加快調(diào)節(jié)，但是過(guò)大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)較大的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某些嚴(yán)重的情況下，甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用對(duì)控制性能的影響積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為常值Uo和Eo，則由式(2-5)可知，只有當(dāng)且僅當(dāng)動(dòng)態(tài)誤差e(t)=o時(shí)，控制器的輸出才是常數(shù)。因此，從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直至無(wú)PID控制器參數(shù)自整定方法的研究與實(shí)現(xiàn)差，積分作用就停止，此時(shí)積分調(diào)節(jié)輸出為一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI的大小，TI越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中，積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控制器或者PD控制器。(3)微分作用對(duì)控制性能的影響微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言，微分作用能在偏差還沒(méi)有形成之前，就己經(jīng)消除偏差。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間TD的大小，TD越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。從濾波器的角度看，微分作用相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，因此它對(duì)噪聲干擾有放大作用，而這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。此外，微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。2.2.3PID控制器參數(shù)整定的基本方法PID參數(shù)的整定方法可以分為時(shí)域整定和頻域整定兩大類(lèi)。時(shí)域方法中最基本的是Ziegler和Nichol提出的Z-N階躍響應(yīng)法[12]。在實(shí)際的應(yīng)用中傳統(tǒng)的Z-N定方法有著多種變型，最常見(jiàn)的有Cohen-Coon法與CHR法。其中CHR方法就是通過(guò)改變階躍響應(yīng)以得出較好的閉環(huán)特性的一種方法[13]。CHR方法有兩種控制策略，即“無(wú)超調(diào)的最快響應(yīng)”控制策略和“具有20%超調(diào)的最快響應(yīng)”控制策略。相對(duì)于時(shí)域方法，在工業(yè)實(shí)踐中頻域響應(yīng)方法的應(yīng)用更為廣泛。基本的原理就是在一個(gè)就是或更多頻率點(diǎn)設(shè)法獲得被控過(guò)程的某些特征從而實(shí)現(xiàn)PD控制器的參數(shù)整定。這種方法是非參數(shù)估計(jì)方法。與之對(duì)應(yīng)的基于被控過(guò)程模型參數(shù)估計(jì)的參數(shù)整定方法按控制器參數(shù)設(shè)計(jì)原理可分為:基于極點(diǎn)配置、基于相消原理、基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則和基于二次型性能指標(biāo)等幾類(lèi)?；陬l域的參數(shù)整定方法主要有如下幾種:1)Z-N:應(yīng)用最廣的方法就是Z-N頻域響應(yīng)法又稱(chēng)Z-N第二方法。通過(guò)增加比例控制器的增益使控制回路達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)的試驗(yàn)方法來(lái)確定臨界點(diǎn)。在頻域上就是Nyquist曲線和負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn)，得到臨界增Ku，臨界周期Tu。2)一些超調(diào)規(guī)則(SO-OV):目的是為了使設(shè)定值變化響應(yīng)的超調(diào)量減少。3)無(wú)超調(diào)規(guī)則(NO-OV):使設(shè)定值變化的響應(yīng)沒(méi)有超調(diào)。4)Mantz-Tacconiz-N(MT-ZN):可獲得Z-N規(guī)則調(diào)節(jié)性能的兩自由度控制器[7]。5)改進(jìn)Ziegler-Nichols法(RZN):該規(guī)則在Z-N整定規(guī)則中增加了標(biāo)準(zhǔn)化增益k和準(zhǔn)化滯后時(shí)間，整定方法因此又叫做KT法[8]。6)平方時(shí)間加權(quán)偏差的積分(ISTE):基于傳遞函數(shù)模型的PID控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)整定式?；趨?shù)估計(jì)的PD參數(shù)整定方法有Cohen和Coon提出的針對(duì)FOPDT模型用于抗負(fù)載干擾的基于極點(diǎn)配置的時(shí)域參數(shù)整定方法[14]。該方法通過(guò)配置主導(dǎo)極點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)25%的衰減比。以上幾個(gè)就是比較常用的PID控制器參數(shù)整定的基本方法。之后產(chǎn)生的改進(jìn)算法也是基于此基礎(chǔ)上行程的。2.2.4PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性能/價(jià)格比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1）原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。2）控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。確切的說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。但從另一方面來(lái)講，控制算法的普遍適應(yīng)性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾方面：3）算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)PID控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果[15]。4）結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)，閉環(huán)特性從根本上是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。5）出于同樣原因，決定了常規(guī)PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。2.2.5軟件最終設(shè)計(jì)方案本文的研究對(duì)象為溫控試驗(yàn)箱，由于控制對(duì)象空氣具有大滯后、大慣性、時(shí)變性等特征，單純的PID控制難以達(dá)到控制的目的，控制品質(zhì)難以保證。本文在研究了PID算法的優(yōu)缺點(diǎn)之后結(jié)合，提出了改進(jìn)型PID控制算法的思想，即分階段控制的思想[16]。該控制算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數(shù)和非線性控制的要求。其核心是大偏差采用全功率加熱的控制思想，小偏差采用經(jīng)典PID控制算法的思想，這樣既提高了響應(yīng)速度，又增加了控制精度，從而使兩者的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，更重要的是P，I，D的三個(gè)參數(shù)可以上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分圖3-1系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，集環(huán)境溫度的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)的處理及溫度的保持控制等等為一體的數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想：本系統(tǒng)STC89C52單片機(jī)為核心，采用溫度傳感器DS18B20，MAX232芯片及PID算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的精確控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)范圍、溫度值的設(shè)定，執(zhí)行、顯示實(shí)時(shí)溫度。3.1溫度試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只有性能良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)箱與控制電路精密配合，才能獲得高的溫度穩(wěn)定度，從而保證達(dá)到系統(tǒng)要求。對(duì)試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)和工藝主要要求是：密封性能好；保溫層導(dǎo)熱系數(shù)小，以保證保溫性能好；加熱體有足夠的熱容量。只有滿足這些要求，才能減小起始加熱功率、平衡狀態(tài)下加熱功率、穩(wěn)定加熱時(shí)間和箱內(nèi)控制溫度的波動(dòng)。本溫度試驗(yàn)箱用厚度為15mm木板制作，加工方便，滿足實(shí)驗(yàn)所要求的溫度20～110oC，其熱導(dǎo)系數(shù)低，保溫效果好。3.2PC上位機(jī)串口通訊單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口，所以單片機(jī)和PC機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通信，用以下載程序或者在線調(diào)試。進(jìn)行串行通信時(shí)要滿足一定的條件PC機(jī)的串口是RS-232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，一般采用專(zhuān)用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換[17]。MAX232的引腳圖如圖2-9所示。圖3-2MAX232引腳圖MAX232內(nèi)部有電荷汞電壓轉(zhuǎn)換器，可將+5V電源變換成RS232所需的±10V電壓，以實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，既符合RS-232的要求，又可實(shí)現(xiàn)+5V單電源供電；所以MAX232收發(fā)器電路給短距離串行通信帶來(lái)極大的方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖3-3中可以看出，其結(jié)構(gòu)基本可分為三個(gè)部分，即：1．電荷泵電路由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。2.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到PC機(jī)的串行接口；串行口RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。3.供電15腳DNG、16腳VCC（+5V）。3.312864液晶顯示模塊圖3-412864液晶框圖12864A-1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）[18]。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：VDD3.3V~+5V(內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓)；顯示內(nèi)容：128列×64行顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00鐘直視LCD類(lèi)型：STN與MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、自定義字符、睡眠模式等3.4DS18B20溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。（1）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。（2）在使用中不需要任何外圍元件。（3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~+5.5V。（4）測(cè)溫范圍：-55~+125℃。固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。（5）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。（7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。（8）負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。圖3-5DS18B20測(cè)溫原理圖DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖3-5所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。3.5繼電器模塊固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫(xiě)SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)控制回路(輸入電路)與負(fù)載回路(輸出電路)的電隔離及信號(hào)耦合，由固態(tài)器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無(wú)任何可動(dòng)部件[19]。盡管市場(chǎng)上的固態(tài)繼電器型號(hào)規(guī)格繁多，但它們的工作原理基本上是相似的。主要由輸入(控制)電路，驅(qū)動(dòng)電路和輸出(負(fù)載)電路三部分組成。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號(hào)提供一個(gè)回路，使之成為固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號(hào)源。固態(tài)繼電器的輸入電路多為直流輸入，個(gè)別的為交流輸入。直流輸入電路又分為阻性輸入和恒流輸入。阻性輸入電路的輸入控制電流隨輸入電壓呈線性的正向變化。恒流輸入電路，在輸入電壓達(dá)到一定值時(shí)，電流不再隨電壓的升高而明顯增大，這種繼電器可適用于相當(dāng)寬的輸入電壓范圍。固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光－三極管、光－雙向可控硅、光－二極管陣列(光－伏)等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHz的自激振蕩，通過(guò)變壓器磁芯將高頻信號(hào)傳遞到變壓器次級(jí)。功能電路可包括檢波整流、過(guò)零、加速、保護(hù)、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號(hào)。固態(tài)繼電器的輸出電路是在觸發(fā)信號(hào)的控制下，實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。輸出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時(shí)還包括反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管(Transistor)、單向可控硅(Thyristor或SCR)、雙向可控硅(Triac)、MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)等。固態(tài)繼電器原理固態(tài)繼電器(SolidstateRelay,SSR)是一種由固態(tài)電子組件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，利用電子組件（如開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體組件）的開(kāi)關(guān)特性，達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、而能接通和斷開(kāi)電路的目的，因此又被稱(chēng)為“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。相對(duì)于以往的“線圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器(ElectromechanicalRelay,EMR)，SSR沒(méi)有任何可動(dòng)的機(jī)械零件，工作中也沒(méi)有任何機(jī)械動(dòng)作，具有超越EMR的優(yōu)勢(shì)，如反應(yīng)快、可靠度高、壽命長(zhǎng)（SSR的開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)108"109次，比一般EMR的106高出百倍）、無(wú)動(dòng)作噪聲、耐震、耐機(jī)械沖擊、具有良好的防潮防霉防腐特性。這些特點(diǎn)使SSR在軍事、化工、和各種工業(yè)民用電控設(shè)備中均有廣泛應(yīng)用。固態(tài)繼電器的控制信號(hào)所需的功率極低，因此可以用弱信號(hào)控制強(qiáng)電流。同時(shí)交流型的SSR采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，使SSR可以安全地用在計(jì)算機(jī)輸出接口，不會(huì)像EMR那樣產(chǎn)生一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重當(dāng)機(jī)。比較常用的是DIP封裝的型式?？刂齐妷汉拓?fù)載電壓按使用場(chǎng)合可以分成交流和直流兩大類(lèi)，因此會(huì)有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四種型式，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開(kāi)關(guān)，不能混用.按負(fù)載電源的類(lèi)型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC—SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC—SSR)。AC—SSR是以雙向晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，用來(lái)接通或斷開(kāi)交流負(fù)載電源的固態(tài)繼電器。AC—SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為過(guò)零觸發(fā)型和隨機(jī)導(dǎo)通型兩種。過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR是當(dāng)控制信號(hào)輸入后，在交流電源經(jīng)過(guò)零電壓附近時(shí)導(dǎo)通，故干擾很小。隨機(jī)導(dǎo)通型AC—SSR則是在交流電源的任一相位上導(dǎo)通或關(guān)斷，因此在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。工作原理過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR為四端器件，其內(nèi)部電路如圖1所示。1、2為輸入端，3、4為輸出端。R0為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開(kāi)，V1構(gòu)成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過(guò)零檢測(cè)電路，UR為雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開(kāi)啟的雙向觸發(fā)脈沖，R3、R7為分流電阻，分別用來(lái)保護(hù)V3和V4，R8和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對(duì)開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。圖3-6固態(tài)繼電器典型應(yīng)用圖要指出的是所謂“過(guò)零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在10～25V或-(10～25)V區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)為-10V～+10V范圍，稱(chēng)為死區(qū)，在此區(qū)域中加入輸入信號(hào)時(shí)不能使SSR導(dǎo)通。Ⅱ區(qū)為10～25V和-(10～25)V范圍，稱(chēng)為響應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)只要加入輸入信號(hào)，SSR立即導(dǎo)通。Ⅲ區(qū)為幅值大于25V的范圍，稱(chēng)為抑制區(qū)在此區(qū)域內(nèi)加入輸入信號(hào)，SSR的導(dǎo)通被抑制。圖3-7SSR導(dǎo)通特性圖當(dāng)輸入端未加電壓信號(hào)時(shí)，光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止，V1飽和，V3和V4因無(wú)觸發(fā)電壓而截止，此時(shí)SSR關(guān)閉。當(dāng)加入輸入信號(hào)時(shí)，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏晶體管飽和，使V1截止。此時(shí)若V3兩端電壓在-(10～25)V或10～25V范圍內(nèi)時(shí)，只要適當(dāng)選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發(fā)導(dǎo)通，從而使V4的控制極上得到從R6→UR→V3→UR→R7或反方向的觸發(fā)脈沖，而使V4導(dǎo)通，使負(fù)載接通交流電源。而若交流電壓波形在圖2中的Ⅲ區(qū)內(nèi)時(shí)，則因V2飽和而抑制V3和V4的導(dǎo)通，而使SSR被抑制，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)零觸發(fā)控制。由于10～25V幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過(guò)零電壓粗略地定義為0～±25V，即認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)，只要加入輸入信號(hào)，過(guò)零觸發(fā)型AC—SSR都能導(dǎo)通。當(dāng)輸入端電壓信號(hào)撤除后，光耦合器中的光敏晶體管截止，V1飽和，V3截止，但此時(shí)V4仍保持導(dǎo)通，直到負(fù)載電流隨電源電壓減小到小于雙向晶閘管的維持電流時(shí)，SSR才轉(zhuǎn)為截止。SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管和兩只單向晶閘管反并聯(lián)形式。若負(fù)載為電動(dòng)機(jī)一類(lèi)的感性負(fù)載，則其靜態(tài)電壓上升率dv/dt是一個(gè)重要參數(shù)。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率(200V/μs)大大高于雙向晶閘管的換向指標(biāo)(10V/μs)，因此若采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率；另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱(chēng)為增強(qiáng)型SSR。3.6碳纖維加熱絲使用大功率水泥電阻充當(dāng)發(fā)熱體，在水泥電阻外加裝散熱片提高散熱速率。強(qiáng)制試驗(yàn)箱箱內(nèi)空氣流動(dòng)，減小整個(gè)溫度控制系統(tǒng)滯后系數(shù)。經(jīng)過(guò)論證，選擇電熱絲充當(dāng)發(fā)熱體，采用220v安全電壓供電，PWM控制，由于電熱絲熱容量小，通電后升溫快，加熱絲本身熱容量小，溫度控制精度高。3.7鍵盤(pán)輸入電路本系統(tǒng)中，鍵盤(pán)輸入電路采用獨(dú)立式的鍵盤(pán)，本鍵盤(pán)完成的功能為輸入控制系統(tǒng)的設(shè)定值。通過(guò)設(shè)定值和系統(tǒng)的采樣值進(jìn)行比較，求出系統(tǒng)的誤差及誤差變化率，供PID控制子程序使用。系統(tǒng)中的4個(gè)鍵均選用按鈕開(kāi)關(guān)。為此，采用4個(gè)鍵來(lái)搭配鍵盤(pán)電路，4位鍵盤(pán)輸入分別連接到單片機(jī)的P1.0到P1.3。鍵盤(pán)電路如圖3-8所示：圖3-8鍵盤(pán)電路第1個(gè)鍵用來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)入鍵盤(pán)處理子程序運(yùn)行。若未按下，則在系統(tǒng)程序中運(yùn)行，若按下則轉(zhuǎn)入鍵盤(pán)處理子程序運(yùn)行，并且在設(shè)置完成后，通過(guò)按該鍵確認(rèn)設(shè)定值，返回主程序中。若設(shè)置鍵按下，則后面2個(gè)鍵開(kāi)始起作用。設(shè)置鍵是讓程序進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置升溫溫度上限。換位鍵改變當(dāng)前設(shè)置位，百位、十位、個(gè)位依次循環(huán)。當(dāng)換到哪個(gè)位時(shí)，按下賦值鍵，當(dāng)前位數(shù)字從0到9循環(huán)改變。設(shè)置完按啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)確認(rèn)輸入值并啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中編寫(xiě)的鍵盤(pán)處理子程序，主要注重以下3個(gè)問(wèn)題：l、如何減少開(kāi)關(guān)的使用次數(shù)，提高開(kāi)關(guān)的使用壽命。2、如何更快捷、更方便的給出設(shè)定值。3、如何更有利于程序的整體調(diào)度。本設(shè)計(jì)盡量減少了鍵盤(pán)數(shù)，減少了對(duì)單片機(jī)I/O占用。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分圖4-1主程序流程圖溫度控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)有著豐富的先例，本設(shè)計(jì)主程序調(diào)用了5個(gè)子程序，分別是LCD顯示程序，按鍵掃描及處理程序，溫度采集程序，溫度判決程序，驅(qū)動(dòng)程序。LCD顯示程序，用于溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；按鍵掃描及處理程序，實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別、按鍵輸入及相關(guān)處理；溫度采集程序負(fù)責(zé)把DS18B20所采集的現(xiàn)場(chǎng)溫度讀入到指定的數(shù)組中；溫度判決程序，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度與設(shè)定的溫度上下限進(jìn)行比較，并得出需要輸出的控制量。主程序流程圖如圖4-1所示。4.1數(shù)字PID控制的實(shí)現(xiàn)在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)（模擬PID控制系統(tǒng)）中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)引入到PID控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID控制[20]。由于計(jì)算機(jī)基于采樣控制理論，計(jì)算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬PID控制算法，所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的PID計(jì)算公式離散：這樣就可以讓計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)通過(guò)采樣的方式實(shí)現(xiàn)PID控制，具體的PID控制又分為位置式PID控制和增量式PID控制，公式6.4給出了控制量的全部大小，所以稱(chēng)之為全量式或者位置式控制；如果計(jì)算機(jī)只對(duì)相鄰的兩次作計(jì)算，只考慮在前一次基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計(jì)算，這種控制叫做增量式PID控制算法，其實(shí)質(zhì)就是求Δμ的大小，而Δk=μk-μ(k-1)；4.2溫度控制PID算法設(shè)計(jì)圖4-2增量式PID控制算法程序流程圖本設(shè)計(jì)利用了上面所介紹的位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進(jìn)行相減得偏差，然后再對(duì)之進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果，然后讓控制定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)而控制加熱器。為了方便PID運(yùn)算，首先建立一個(gè)PID的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類(lèi)型，該數(shù)據(jù)類(lèi)型用于保存PID運(yùn)算所需要的P、I、D系數(shù)，以及設(shè)在實(shí)際運(yùn)算時(shí)，由于空氣具有很大的熱慣性，而且PID運(yùn)算中的I（積分項(xiàng)）具有非常明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，我們必須把積分項(xiàng)去掉，相反微分項(xiàng)則有很強(qiáng)的預(yù)見(jiàn)性，能夠加快反應(yīng)速度，抑制超調(diào)量，系統(tǒng)最終選擇PD控制方案[21]。4.3程序流程圖改進(jìn)型PID算法模型溫度調(diào)節(jié)曲線如下：圖2-6PID算法溫度調(diào)節(jié)曲線圖中T為系統(tǒng)溫度，Ｔa為設(shè)定溫度?？販剡^(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行：快速加熱、溫度調(diào)節(jié)和恒溫保持。其中第一階段只有快速升溫過(guò)程，后兩階段均由升溫和降溫過(guò)程即溫度調(diào)節(jié)過(guò)程組成。根據(jù)設(shè)計(jì)需要對(duì)各階段如下：在快速加熱階段即在溫度達(dá)到Tr之前，加熱速度要快，使系統(tǒng)溫度在盡量短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度Ｔa。在達(dá)到Ｔa使就停止加熱，之后由于熱慣性，系統(tǒng)溫度繼續(xù)升高，使得系統(tǒng)溫度超過(guò)Ｔa達(dá)到最高點(diǎn)A點(diǎn)。在溫度調(diào)節(jié)階段，以T1、T2為分界點(diǎn)，降溫與升溫過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)。進(jìn)入恒溫維持階段，要求系統(tǒng)溫度T能穩(wěn)定在設(shè)定溫度Ta附近并保持足夠的時(shí)間。曲線上A、B、C為極大值點(diǎn)，D、E、F為極小值點(diǎn)，他們的絕對(duì)值隨時(shí)間增加都在減小，進(jìn)入恒溫維持階段階段后在誤差允許的范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。模型曲線中控制參量的確定：模型曲線中的控制參量值是在反復(fù)多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定的。在模型曲線中，Ｔa是預(yù)設(shè)的溫度值，Tr和T2是系統(tǒng)停止加熱的起始點(diǎn)，T1是系統(tǒng)開(kāi)始加熱的起始點(diǎn).T1=Ｔa-T1=5℃,△T2=T2-Ｔa=-5℃是系統(tǒng)加熱和調(diào)節(jié)過(guò)程中的兩個(gè)門(mén)限值。在快速加熱的過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)的溫度第一次達(dá)到預(yù)置的某個(gè)階段的設(shè)定溫度即達(dá)到Tr時(shí)，系統(tǒng)就立刻停止加熱。之后系統(tǒng)由于熱慣性會(huì)繼續(xù)升溫到最大值A(chǔ)點(diǎn)，爾后開(kāi)始降溫；在降溫過(guò)程中，T達(dá)到T1點(diǎn)即T-Ｔa=5℃時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始預(yù)加熱，即緩沖緩沖系統(tǒng)的溫度下降的幅度；在升溫過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到T2時(shí)即T-Ｔa=-5℃時(shí)，停止加熱，防止由于熱慣性導(dǎo)致的溫度極大值過(guò)大。由此可見(jiàn)，Tr、T1和T2點(diǎn)的溫度值是軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要參量。4.3.1主程序流程圖圖4-3主程序流程圖如圖4-3，當(dāng)按下溫度設(shè)定鍵時(shí)，比較設(shè)定值與實(shí)際溫度的值，若當(dāng)前溫度差小于5度，則運(yùn)用PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，調(diào)整單位時(shí)間的占空比驅(qū)動(dòng)加熱模塊對(duì)其進(jìn)行加熱；若此時(shí)溫度差值大于5度，運(yùn)用模糊控制規(guī)則對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算，并驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)其加熱。4.3.212864液晶子程序流程圖圖4-4液晶子程序流程圖當(dāng)液晶顯示屏初始化化后，顯示的效果圖如下：圖4-5液晶顯示屏初始化效果4.3.2DS18B20子程序流程圖圖4-6DS18B20子程序流程圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心，它控制溫度傳感器DS18B20復(fù)位和讀寫(xiě)操作。對(duì)溫度進(jìn)行采集，按時(shí)序直接從溫度傳感器讀入溫度值的數(shù)字信號(hào)（這就是所測(cè)的溫度值，因?yàn)镈S18B20是最新單線數(shù)字溫度傳感器，最后存入內(nèi)存。由于精度準(zhǔn)確、分辨率高、抗干擾性好、無(wú)需校驗(yàn)。由于所讀出的數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼，所以求出溫度值的原碼（當(dāng)然正數(shù)是不必轉(zhuǎn)換）。在顯示溫度值時(shí)，還需要進(jìn)行十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，字符代碼的轉(zhuǎn)換。

5系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試是以程序?yàn)橹?，硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單，首先檢查電路的焊接是否正確，然后用萬(wàn)用表檢測(cè)或通電檢測(cè)，軟件調(diào)試可以先編寫(xiě)顯示程序并進(jìn)行硬件的正確性檢驗(yàn)。然后分別進(jìn)行主函數(shù)、溫度的采集與識(shí)別函數(shù)、LED顯示函數(shù)、鍵盤(pán)掃描函數(shù)、加熱控制函數(shù)等程序的編程與調(diào)試。由于DS18B20與單片機(jī)采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫(xiě)編程時(shí)必須嚴(yán)格地保證讀/寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。本程序采用單片機(jī)C言編寫(xiě)，用KEIL集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程調(diào)試。軟件調(diào)試目標(biāo)為：能顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定溫度，按鍵動(dòng)作能夠被反映到顯示器上以及被執(zhí)行。5.1溫度測(cè)量電路的調(diào)試關(guān)鍵是DS18B20的測(cè)量精度、單片機(jī)的采樣時(shí)間以及顯示溫度和實(shí)際溫度的校準(zhǔn)。DS18B20的精度：DS18B20的準(zhǔn)確度為0.5℃，最小分辨率為0.0625℃。5.1.1測(cè)量誤差的測(cè)試在加熱的過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻溫度計(jì)的示數(shù)與液晶顯示器的示數(shù)之間的誤差，其測(cè)量結(jié)果如下表所示：表5-1某時(shí)刻的溫度計(jì)與液晶顯示器的示數(shù)對(duì)比溫度計(jì)示數(shù)/℃液晶示數(shù)/℃動(dòng)態(tài)誤差/34.042.10.847.449.11.755.256.21.0分析：溫度計(jì)的擺放位置和溫度傳感器的擺放位置不同，當(dāng)溫度趨于設(shè)定值時(shí)，液晶顯示的溫度與設(shè)定的溫度之間的誤差，以及溫度測(cè)量有滯后性的特點(diǎn)，導(dǎo)致它們的誤差大[22]。在設(shè)定的溫度32.0℃時(shí)，測(cè)得的溫度值為下表所示：31.131.932.232.732.232.85.1.2DS18B20溫度傳感器校準(zhǔn)顯示溫度和實(shí)際溫度的校準(zhǔn)：水銀溫度的最小刻度為0.1℃，我們可以利用水銀溫度計(jì)的讀書(shū)來(lái)校準(zhǔn)液晶顯示器12864所顯示的溫度值。我們分別測(cè)量了十組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如下表：由下表可以發(fā)現(xiàn)顯示溫度始終比實(shí)際溫度相差不大，符合題目要求表5-2實(shí)際與測(cè)量溫度數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)際溫度/℃顯示溫度/℃偏差/℃24.324.50.832.434.80.555.456.10.763.573.10.482.482.20.2由上表可以發(fā)現(xiàn)顯示溫度始終與實(shí)際溫度相差不大，符合題目要求。5.2PID參數(shù)整定本控制系統(tǒng)采用改進(jìn)型PID調(diào)節(jié)，由于溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大滯后的系統(tǒng)，所以必須加入微分（D）控制，微分控制的作用是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對(duì)于有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能。參數(shù)整定時(shí)先整定比例（P）系數(shù)，從小到大增大比例系數(shù)，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。這時(shí)系統(tǒng)往往存在靜差，為了消除靜差，需要加入積分環(huán)節(jié)（I），整定時(shí)一般先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)，因?yàn)榉e分時(shí)間系數(shù)越大，積分作用越弱。同時(shí)將上一步整定得到的比例系數(shù)減小一些（比如取原來(lái)的80%），反復(fù)調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)，直到得到滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。如果動(dòng)態(tài)過(guò)程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)(D)。在整定時(shí)先把微分時(shí)間系數(shù)為零，在第二步的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間系數(shù)，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量與被控制對(duì)象的特性、干擾信號(hào)的形式和幅值、控制方案及控制器的參數(shù)等因素有著密切的關(guān)系。對(duì)象的特性和干擾情況是受工藝操作和設(shè)備的特性限制的，不可能隨意改變，這樣，一旦控制方案確定了，對(duì)象各個(gè)通道的特性就成定局，這時(shí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量就只取決于控制器的參數(shù)。因此，參數(shù)的整定是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。所謂控制器的參數(shù)整定，就是通過(guò)一定的方法和步驟，確定系統(tǒng)處于最佳過(guò)渡過(guò)程時(shí)控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的具體數(shù)值。所謂最佳過(guò)渡過(guò)程，就是在某質(zhì)量指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳調(diào)整狀態(tài)，此時(shí)的控制器參數(shù)就是所謂的最佳整定參數(shù)。在簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率=0.75～0.9(對(duì)應(yīng)衰減比為4：1～10：1)為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量（對(duì)于大多數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的瞬態(tài)響應(yīng)曲線達(dá)到4：1的衰減比狀態(tài)時(shí)，則為最佳的過(guò)程曲線）。此外，在滿足主要指標(biāo)的條件下，還應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（又稱(chēng)靜差、余差）、最大動(dòng)態(tài)偏差（超調(diào)）和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等其它指標(biāo)。由于不同的過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求有不同的側(cè)重點(diǎn)，也有用系統(tǒng)響應(yīng)的平方誤差積分（ISE）、絕對(duì)誤差積分（IAE）、時(shí)間乘以絕對(duì)誤差的積分（ITAE）分別取極小作為指標(biāo)來(lái)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的[23]。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)可以分為兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論中的根軌跡法，頻率特性法等，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。二是工程整定方法，它主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握。由于本系統(tǒng)有別于工業(yè)實(shí)際系統(tǒng)因此對(duì)于參數(shù)整定來(lái)說(shuō)，使用工程參數(shù)整定法效果不是很好，該系統(tǒng)參數(shù)整定采用經(jīng)驗(yàn)湊試法。經(jīng)驗(yàn)湊試法是通過(guò)模擬或閉環(huán)運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致辭影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)[24]。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行下述比例、后積分、再微分的整定步驟：⑴整定比例部分將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可由此確定。⑵加入積分環(huán)節(jié)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分時(shí)間為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮?。ㄈ缈s小為原來(lái)的0.8倍），然后減小積分時(shí)間，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與保持時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程與整定參數(shù)。⑶加入微分環(huán)節(jié)若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間為零。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 所謂“滿意”的調(diào)節(jié)效果，是隨不同的對(duì)象和控制要求而異的。此外PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響不十分敏感，因而在整定中參數(shù)的先定并不是唯一的。事實(shí)上，在比例、積分、微分三部分產(chǎn)生的控制作用中，某部分的減小往往可由其它部分的增大來(lái)補(bǔ)償。因此，用不同的整定參數(shù)完全有可能得到同樣的控制效果。從應(yīng)用的角度看，中要被控過(guò)程主要指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么即可選定相應(yīng)的調(diào)節(jié)器參為有效的控制參數(shù)。對(duì)于該溫度控制系統(tǒng)，最終整定的P，I，D參數(shù)分別為8，0,10.5.3加熱效果測(cè)試題目要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將溫控箱中的空氣加熱到一定的溫度。如果在所要求的時(shí)間內(nèi)不能完成加熱任務(wù)，就應(yīng)該考慮用加熱功率更大的加熱器。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如下：表5-3加熱溫度的對(duì)比測(cè)試起始溫度/℃終末溫度/℃所用時(shí)間/S23.130.06830.035.04335.040.05540.045.05745.050.04450.055.04755.060.04360.075.05575.080.04680.085.042由上表可以看出，碳纖維加熱絲工作正常，加熱溫度變化均勻，時(shí)間間隔不大，能有效達(dá)到加熱控溫的目的。加熱模塊為均勻排布在保溫箱內(nèi)壁上的碳纖維電熱絲構(gòu)成，直接接220V市電，電流約2A電路總功率約300W。對(duì)其進(jìn)行全功率加熱測(cè)試，每30秒記錄一次，環(huán)境溫度約24度，室內(nèi)。測(cè)試曲線如下圖5-1，X軸為分鐘，Y軸為攝氏度。圖5-1加熱速率曲線圖在5.5分鐘時(shí)刻，切斷加熱電源，繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)，得到如圖5-2曲線圖5-2停止加熱后保溫箱溫度升降曲線由以上兩曲線可得，本設(shè)計(jì)最大升溫速率約為8℃/min，系統(tǒng)滯后時(shí)間約為兩分鐘，系統(tǒng)自然冷卻速率約為1.4℃/min。在實(shí)際使用時(shí)，為防止溫度過(guò)高導(dǎo)致電熱絲起火燃燒，在電路中加熱溫控開(kāi)關(guān)。但在一次測(cè)試加熱時(shí)，電熱絲與電線接頭處發(fā)生高溫?zé)宫F(xiàn)象。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，由于此接頭沒(méi)有固定，經(jīng)常搬動(dòng)箱體導(dǎo)致接頭搖晃松動(dòng)，接觸電阻增大導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，由于采用的線纜，接頭均為阻燃材質(zhì)，才沒(méi)有發(fā)生起火事故。改進(jìn)方法是固定箱內(nèi)所有接頭，防止類(lèi)似事故發(fā)生。5.4PC上位機(jī)界面5.4.1MAX232芯片串口調(diào)試將單片機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS-232口與PC相連[25]，實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度，在PC機(jī)和LCD12864上顯示的溫度分別如圖5-3、圖5-4圖5-3LCD12864顯示圖5-4VB程序顯示其中圖5-3顯示的第三行數(shù)據(jù)中，前一組數(shù)據(jù)為PWM波占空比，后一組數(shù)據(jù)為溫差（設(shè)置溫度減去當(dāng)前溫度），當(dāng)當(dāng)前溫度大于設(shè)置溫度，即溫差為負(fù)值時(shí)，后一組數(shù)據(jù)顯示為無(wú)意義數(shù)字，這是由于在單片機(jī)中負(fù)數(shù)以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，在調(diào)用相同的顯示子程序時(shí)就無(wú)法正確顯示，但不影響系統(tǒng)運(yùn)行。5.4.2PC端監(jiān)控軟件PC端程序采用VB編寫(xiě)，軟件界面如圖5-5圖5-5溫度監(jiān)控軟件界面此軟件功能包括顯示當(dāng)前溫度，設(shè)置升溫溫度，設(shè)置PID參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示溫度曲線，保存曲線，顯示歷史文件，啟動(dòng)/停止這個(gè)控制系統(tǒng)。軟件操作說(shuō)明將單片機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS-232口與PC相連后，啟動(dòng)溫度監(jiān)控軟件，在軟件界面下半部分單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出如圖5-6菜單，選擇設(shè)置，彈出如圖5-7的串口設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置好串口參數(shù)后，單擊確定圖5-6右鍵菜單圖5-7串口設(shè)置菜單然后仍然單擊右鍵，選擇打開(kāi)端口，此時(shí)程序和單片機(jī)通訊，顯示當(dāng)前溫度。選擇PID參數(shù)，并在設(shè)置溫度框內(nèi)輸入所要設(shè)置的溫度，單擊設(shè)置，設(shè)置信息發(fā)送到單片機(jī)，單擊“啟/?！辨I，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)設(shè)置溫度超過(guò)80℃時(shí)，軟件會(huì)彈出錯(cuò)誤對(duì)話框，提示重新設(shè)置，如圖5-8圖5-8錯(cuò)誤對(duì)話框在軟件運(yùn)行時(shí)，在界面左下角選擇“實(shí)時(shí)顯示”并單擊“開(kāi)始”按鈕，此時(shí)上方區(qū)域開(kāi)始繪制溫度曲線，單擊保存，彈出保存對(duì)話框，設(shè)置保存路徑和文件名稱(chēng)，默認(rèn)文件名為當(dāng)前時(shí)間。如圖5-9圖5-9波形數(shù)據(jù)保存對(duì)話框繪制曲線圖形是可以選擇使用點(diǎn)繪圖（用Pset繪圖）或使用線繪圖（用Line繪圖），在繪圖區(qū)域單擊右鍵，可以選擇背景色和前景色，以達(dá)到最好的顯示效果。5.5.3上位機(jī)界面實(shí)時(shí)溫度變化分析圖5-10VB上位機(jī)顯示界面由VB上位機(jī)顯示界面所示，溫度變化的實(shí)時(shí)溫度曲線穩(wěn)定性好，能有效達(dá)到控溫的目的。

6結(jié)論溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要控制的最常見(jiàn)最基本的工藝參數(shù)之一，在冶金、機(jī)械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中，溫度控制起著非常重要的作用。對(duì)于一些較簡(jiǎn)單的控制對(duì)象，一般的PID控制基本就能滿足對(duì)溫度控制性能指標(biāo)的要求。本文完成了基于STC89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件的編程與調(diào)試等。在完成過(guò)程中，主要做的工作有：(1)以ATMEL公司的STC89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，輸入通道包含DS18B20溫度傳感器和四個(gè)獨(dú)立按鍵；輸出通道包括鍵盤(pán)與液晶顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路，其中顯示電路為12864液晶顯示屏，驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的溫度控制。(2)本文對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法的特點(diǎn)進(jìn)行了理論探討，溫度控制系統(tǒng)中采用改進(jìn)型PID控制的方法[26]。此外，PID的三個(gè)參數(shù)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和魯棒性，因此，能夠滿足多干擾，變參數(shù)和非線性控制過(guò)程的要求。而且，程序比較容易實(shí)現(xiàn)，在知道控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)反映的溫度變化規(guī)律對(duì)其采取相應(yīng)的控制策略。(3)采用C語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程，這樣大大縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期。為了便于編寫(xiě)，調(diào)試，修改和刪除，系統(tǒng)軟件的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法[27]。(4)為了解溫度的實(shí)時(shí)變化情況，采用PC機(jī)與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行情況，并可對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。本設(shè)計(jì)用VB開(kāi)發(fā)了人機(jī)接口界面，由溫度變化曲線可反映其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，穩(wěn)定性等相關(guān)性能指標(biāo)[28]。在本設(shè)計(jì)中，由上位機(jī)界面溫度實(shí)時(shí)變化曲線可以看出，該溫度控制系統(tǒng)不僅具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，其控制精度也達(dá)到了相關(guān)要求。

7展望本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，這種單片機(jī)本身資源較少，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，目前日益普及的是基于ARM或DSP結(jié)構(gòu)的微處理器，在系統(tǒng)的擴(kuò)展能力方面，處理數(shù)據(jù)的能力各個(gè)方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了8位單片機(jī)[29]。傳統(tǒng)的單片機(jī)編程采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，即將實(shí)時(shí)性要求不高的工作放在主函數(shù)之中，依次輪流執(zhí)行；實(shí)時(shí)性要求高的，使用中斷技術(shù)及時(shí)處理，這樣構(gòu)成前后臺(tái)處理程序，程序中間通過(guò)軟件標(biāo)志，全局變量等完成通信與聯(lián)絡(luò)。本系統(tǒng)的軟件就是基于這種方式開(kāi)放的。隨著微處理器芯片性能的提高和價(jià)格的下降及對(duì)軟件的可重復(fù)性和可維護(hù)性的提高，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨[30]。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其是對(duì)大滯后，時(shí)變的，非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時(shí)或隨機(jī)干擾；有的無(wú)法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙。加之人們對(duì)控制品質(zhì)的要求日益提高，常規(guī)PID控制的缺陷也逐漸暴露出來(lái)。因此人們?cè)趹?yīng)用PID控制的同時(shí)，也不斷的對(duì)其進(jìn)行了各種改進(jìn)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)常規(guī)PID控制器本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即變結(jié)構(gòu)PID控制[31]；另一方面隨著智能控制如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家控制等先進(jìn)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，它們與常規(guī)PID控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成所謂的智能PID控制[32]。這種新型智能PID控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大的興趣，也已得到較為廣泛的應(yīng)用。結(jié)合上面的論述，今后還需要做進(jìn)一步的研究和解決的問(wèn)題有：硬件方面,采用DSP，ARM或者利用片上系統(tǒng)的SOC對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實(shí)時(shí)操作的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)[33]。控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)路控制和模糊PID控制等等。本設(shè)計(jì)其更深遠(yuǎn)意義在于了解更為廣泛的溫度控制系統(tǒng)的共性，為了便于用戶方便使用，對(duì)于一些諸如高溫，輻射的控制應(yīng)用場(chǎng)合，可在原基礎(chǔ)之上加入紅外遙感裝置，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。

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致謝大學(xué)四年生活即將畫(huà)上一個(gè)句號(hào)，在這四年中認(rèn)識(shí)了許多人，經(jīng)歷了許多事，也有許多的感受。大學(xué)時(shí)光是我一生中非常重要的一段經(jīng)歷，我要感謝所有帶給我經(jīng)歷的朋友，感謝所有老師，是你們教會(huì)了我許多的知識(shí)，是你們使我懂得了如何做人，是你們使我學(xué)會(huì)了如何面對(duì)人生。我還要感謝母校中原工學(xué)院給了我一次健康成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，使我更好的面對(duì)人生。特別的，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師張海峰老師，從最初的資料的選取，張老師就給了我很大的幫助。對(duì)于我們工作中遇到的困難，張老師一定會(huì)給我們指導(dǎo)直到我們弄懂為止。從最初資料的選取開(kāi)始，一直到最后論文的反復(fù)修改、潤(rùn)色，張老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我深刻而細(xì)致地指導(dǎo)，幫助我們開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。正是張老師的無(wú)私幫助與熱忱鼓勵(lì)，我的畢業(yè)論文才能夠得以順利完成，謝謝張老師。同時(shí)我要感謝答辯組的答辯老師，在開(kāi)題和中期時(shí)給我提出許多寶貴的意見(jiàn)，讓我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中一步步得以完善。最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！

附錄A原理圖附錄B部分程序/*名稱(chēng)：LCD12864字庫(kù)液晶芯片組st7920日期：2009.5修改：無(wú)內(nèi)容：*/#include<stdio.h>#include<math.h>#include<reg52.h>#include<string.h>#include"subfuncs.h"sbitRUN=P1^0;//啟動(dòng)sbitSET=P1^1;//設(shè)置sbitSETNUM=P1^2;//賦值sbitSWITCH=P1^3;//換位sbitLEDRUN=P3^4;//運(yùn)行指示燈sbitLEDSET=P3^5;//設(shè)置標(biāo)志燈sbitLEDALERT=P3^6;//警報(bào)燈sbitCAT=P3^7;//板上資源控制sbitRLYCTL=P2^6;/******************************************************************//*外部函數(shù)與變量聲明*//******************************************************************/externunsignedintReadTemperature(void);externvoidUART_Init(void);externvoidDisTimer0(void);externvoidTimer0Init(void);externunsignedchardataPWMCycle,PWMDuty;/*PWM周期與占空比的調(diào)節(jié)，單位10ms*/externunsignedintdataPIDtimer;unsignedchardatapram=92;//用于調(diào)節(jié)PID曲線整定參數(shù)intdataerr=0,err1=0,serr=0;unsignedchardatarunctl=0;//為串口控制而添加,為1相當(dāng)于按下一次RUN鍵unsignedchardataPIDP=8,PIDI=0,PIDD=10;/******************************************************************//*定義變量/數(shù)組*//******************************************************************/unsignedintdataguiSetTemp=0;//設(shè)置溫度*10unsignedintdataguiNowTemp=0;//當(dāng)前溫度*10unsignedcharcodepic2[];//unsignedcharcodepic3[];/******************************************************************函數(shù)功能：顯示4位數(shù)字的溫度，將1234顯示為123.4。add為要顯示在的地址******************************************************************/voiddisplayTemp(unsignedcharadd,unsignedintdatatemp_buff){ unsignedchardatasled_data[6]; sled_data[0]=temp_buff/1000+'0'; sled_data[1]=temp_buff%1000/100+'0'; sled_data[2]=temp_buff%100/10+'0'; sled_data[3]='.'; sled_data[4]=temp_buff%10+'0'; sled_data[5]=''; Disp_HZ(add,sled_data,6); }voidSetTemp(void){ unsignedchardatasetdata[4],i; LEDSET=0; setdata[0]=guiSetTemp/1000; setdata[1]=guiSetTemp%1000/100; setdata[2]=guiSetTemp%100/10; setdata[3]=guiSetTemp%10; displayTemp(0x85,guiSetTemp); Write_Cmd(0x85); delayms(10); Write_Cmd(0x0F);//開(kāi)游標(biāo) delayms(10); for(i=0;i<4;) { while(1) { if(!SETNUM) { while(1) { while(!SETNUM); delayms(20); if(SETNUM)break; } setdata[i]++; if(setdata[i]==10)setdata[i]=0; guiSetTemp=setdata[0]*1000+setdata[1]*100+setdata[2]*10+setdata[3]; displayTemp(0x85,guiSetTemp); delayms(5); if(i<2)Write_Cmd(0x85); elseif(i<3)Write_Cmd(0x86); elseWrite_Cmd(0x87); } if(!SWITCH) { while(1) { while(!SWITCH); delayms(20); if(SWITCH)break; } i++; if(i<2)W