溫度控制技術不僅在工業(yè)生產有著非常重要的作用，而且在日常生活中也起著至關重要的作用。本文對系統(tǒng)進行硬件和軟件的設計，在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎之上，通過對PID控制的分析設計了系統(tǒng)控制器，完成了系統(tǒng)的軟、硬件調試工作。算法簡單、可靠性高、魯棒性好，而且PID控制器參數(shù)直接影響控制效果。

1.系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)總體結構

該系統(tǒng)利用AT89S51豐富的外設模塊搭建硬件平臺。系統(tǒng)的硬件電路包括：模擬部分和數(shù)字部分，基本電路由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊及控制執(zhí)行模塊等組成。

1.2系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開始工作時，首先由單片機控制軟件發(fā)出溫度讀取指令，通過數(shù)字溫度傳感器采集被控對象的當前溫度值并送顯示屏實時顯示。然后，將該溫度測量值與設定值T比較，其差值送PID控制器。PID控制器處理后輸出一定數(shù)值的控制量，經D/A轉換為模擬電壓量，控制被控對象進行加熱。

1.3系統(tǒng)軟件設計方法

整個系統(tǒng)軟件設計包括管理程序和控制程序兩部分，管理程序包括LED顯示的動態(tài)刷新、控制指示燈、處理鍵盤的掃描和響應?？刂瞥绦虬ˋ/D轉換、中值濾波、越限報警處理、PID計算等。

2.系統(tǒng)硬件結構

2.1電源電路的設計

系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設計中選用了LM7805 LM7815和LM7915三個三端集成穩(wěn)壓器，提供+5V直流電壓，輸出電流均為1A.變壓器將220V的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。電源電路圖如圖1所示。

圖1電源電路圖

2.2復位電路設計

單片機復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。只有一個可靠的復位電路才能使系統(tǒng)避免出現(xiàn)了“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象。電路圖如圖2所示。

圖2復位電路圖

2.3時鐘電路設計

本控制器采用的是內部振蕩方式得到單片機的時鐘信號，這種方式得到的時鐘信號比較穩(wěn)定。圖3為時鐘電路。

圖3時鐘電路圖

2.4可控硅輸出電路

可控硅是一種功率半導體器件，簡稱SCR，也稱晶閘管。本部分為控制電加熱爐功率的雙向可控硅驅動電路，采用MOC3041作為驅動電路。如圖4所示。

圖4可控硅輸出電路

2.5聲光報警電路模塊

某一通道的溫度測量值超出預先設定的上、下限報警值或系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警以提醒用戶注意。如圖5所示。

圖5聲光報警電路圖

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1系統(tǒng)主程序設計

在反應器系統(tǒng)中，主程序的功能主要是設定程序執(zhí)行過程中用到的相關變量，分配寄存器，對所需要的參數(shù)初始化，根據(jù)定時中斷程序，調用相應的功能模塊，完成一定的任務。

3.2系統(tǒng)子程序設計

3.2.1顯示子程序

LED顯示方式包括有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種，動態(tài)掃描顯示電路是將顯示各位的所有相同字段線連在一起，由一個8位I/O口控制，而每一位的公共端（共陽或共陰COM）由另一個I/O口控制。由于這種連接方式將每位相同字段的字段線連在一起，當輸出字段碼時，每一位將顯示相同的內容。因此，要想顯示不同的內容，必須采取輪流顯示的方式。

3.2.2定時子程序

定時程序主要是用于完成查表的占空比控制。總體思想是根據(jù)控制表中占空比控制變量U的不同取值，采用不同的定時來改變繼電器的通斷，根據(jù)繼電器的特性，要求不能頻繁通斷，所以通斷要有一定長的時間，但又要考慮到控制能夠及時的根據(jù)新的采集值和設定值的變化來做出相應的動作。

4.控制方案

4.1 PID控制

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。

4.2 PID參數(shù)整定

由于PID控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調整各個部分的線性系數(shù)就是PID控制器控制性能好壞的關鍵。必須針對具體被控對象對PID控制器參數(shù)進行整定，采取擴充臨界比例度法：

（a）選擇合適的采樣周期T.所謂合適是指周期足夠小，一般應選它對象的純滯后時間的1/IO以下；

（b）僅讓控制器作純比例控制，由小到大逐漸增大比例系數(shù)Kp，直至使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下此時的臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks；

（c）選擇合適的控制度。所謂控制度，就是數(shù)字控制器和模擬調節(jié)器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比；

（d）根據(jù)控制度查表。

4.3 Matlab仿真

通過對上述的整定方法的綜合運用，整定后得到PID控制器的參數(shù)為：Kp=1.75，Ki=0.0125，Kd=3，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立溫度控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖6示。仿真后得到系統(tǒng)階躍響應曲線。

圖6仿真模型

仿真后得到的系統(tǒng)階躍響應的動態(tài)性能還是比較理想的，超調很小（響應峰值為1.017，超調量Q%=1.7%）。統(tǒng)的響應誤差是也是比較小的（穩(wěn)態(tài)誤差為0.005），在系統(tǒng)要求的精度范圍之內。

5.總結

系統(tǒng)采用模塊化設計，擴展性強。模塊化設計，使控制器具有一定的通用性，而且運行安全可靠。成本低，操作簡單，體積小，安裝方便，反應靈敏，控制精度高。