李卓 王劍鋼

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的高精度性要求越來(lái)越高。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用。而電加熱控制卻因?yàn)槠渚哂腥鐣r(shí)滯性、單向性和時(shí)變性等缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)的模擬電路達(dá)到最佳控制狀態(tài)。本文描述了一種基于AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與調(diào)控的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字增量式PID算法得出溫度控制量，然后以脈沖調(diào)制波的形式輸送給功率控制器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制，系統(tǒng)通過(guò)研究、仿真和實(shí)驗(yàn)，表明其具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括控制器、被控對(duì)象和反饋回路，水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中，干擾信號(hào)主要包括由于被加熱水表面溫度耗散和水與其他物體接觸引起的熱量散失造成的持續(xù)干擾以及由于加熱電源的毛刺所引起的瞬時(shí)干擾等。

根據(jù)水溫控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖可以設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的電路原理圖，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由傳感器電路、控制電路、繼電器電路、人機(jī)交互界面、溫度顯示電路和電阻電爐組成。傳感器電路主要采用Dallas公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它的主要作用是測(cè)量水溫，并將結(jié)果反饋給控制器?？刂齐娐返暮诵氖茿T89S52單片機(jī)，這是一種高性能而低功耗的可編程CMOS微控制器，非常適用于嵌入式的控制系統(tǒng)，控制電路的作用主要是將讀取的實(shí)際水溫的數(shù)字值與程序中的設(shè)定值進(jìn)行比較，算出差值，再將差值采用數(shù)字PID算法，得出對(duì)應(yīng)的功率值，通過(guò)控制加熱功率達(dá)到控制溫度的目的。繼電器電路則為控制電路實(shí)現(xiàn)控制電阻電爐架設(shè)橋梁，它的作用是實(shí)現(xiàn)了小電流控制大功率的運(yùn)作。人機(jī)交互界面的作用是調(diào)節(jié)設(shè)定溫度值和控制加熱器的工作狀態(tài)。此外，實(shí)際水溫和預(yù)設(shè)水溫都可以通過(guò)溫度顯示電路在液晶屏幕上顯示。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2 控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊采用單片機(jī)作為控制核心，在盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)電路后，水溫控制系統(tǒng)的控制主電路如圖4所示：

圖3 系統(tǒng)控制主電路

其中，鍵盤(pán)的四個(gè)鍵直接接P1口，按下時(shí)是低電平；SMC1602A為16×2字符型點(diǎn)陣液晶模塊，可同時(shí)將設(shè)定溫度和實(shí)測(cè)溫度顯示出來(lái)，在P0口加上8×1K的上拉排阻是為了提高液晶模塊與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，SMC1602A所接電位器用于調(diào)節(jié)液晶顯示的亮度；HEAT端表示加熱驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，高電平有效，經(jīng)過(guò)74HC14反相后驅(qū)動(dòng)可控硅；COUNT表示過(guò)零檢測(cè)反饋接入口，上圖中是查詢(xún)式接法，如果使用中斷方式，則將其接到P3.2，發(fā)光二極管DS1用于顯示系統(tǒng)電源狀態(tài)，DS2用于顯示加熱信號(hào)通斷狀態(tài)；接頭JP1是在板下載口，JP2是接DS1820的溫度檢測(cè)端口，JP3是控制端口，JP4是電源接入端口。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

首先估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)于1000g水，采用周期為1.2s時(shí)，經(jīng)過(guò)在離散條件下計(jì)算得：Kp≈3.4，Ki≈1.2，Kd≈1.8，由此，離散增量PID計(jì)算式為：

式中，E1(z)為當(dāng)前誤差值，E2(z)為上一次誤差值，E3(z)為再上一次誤差值。將PID參數(shù)代入上式，讓系統(tǒng)工作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，看是否滿(mǎn)足設(shè)想要求，如果不滿(mǎn)足，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析參數(shù)所要調(diào)整的方向，稍微調(diào)整后再投入運(yùn)行，再經(jīng)過(guò)對(duì)第二次結(jié)果分析，來(lái)確定下一次參數(shù)調(diào)整的幅值，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制出來(lái)，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

水溫控制系統(tǒng)是基于AT89S52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)預(yù)先估計(jì)需求功率，并調(diào)節(jié)PID參數(shù)達(dá)到無(wú)超調(diào)控制。

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)增量式PID算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、簡(jiǎn)單直觀、控制精度高等特性，可以較好的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。

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