基于单片机的PID控制算法

基于单片机 PID算法的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，时变性，纯滞后等特点，其控温过程存在非线性波动等问题。

本文采用AT89C51单片机基于PID算法设计了一种电加热温度控制系统。

仿真实验表明，本系统能够有效提高电加热炉温度控制的鲁棒性，符合新形势下对炉温调控的实际需求。

关键词：电加热炉；温度控制；单片机；PID算法1引言电加热炉在冶金、化工、机械等领域具备广泛的用途，但是它是一个多时变、存在物理耦合、本质非线性的复杂系统，传统的基于滞后反馈的控制律无法平衡炉温检测与炉温调控之间的时间同步关系，容易造成整个加热炉炉温调控系统的温度非线性波动、间歇性振荡，引起炉温调控器的参数变化。

因此提高电加热炉的温度控制水平，是当今工业控制技术的主要研究方向之一。

常规控制方法难以实现较高的控制精度和响应速度。

相比之下，经典的增量PID控制算法，无需针对控制对象建立数学模型，便可实现较发复杂系统的精确控制。

本文基于PID算法，提出设计了一套电加炉控制方法，核心控制芯片采用AT89C51系列单片机，具备数据采集、调控、显示、报警等多项功能，实现了对温控系统的设计和模拟仿真，能有效改善电加热炉温度控制系统的性能。

2总体方案设计本系统采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器PT100采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制（图1）。

图1 系统总体设计方案图2.1系统硬件选择单片机是指将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上的单片微型计算机。

单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。

它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。

单片机是微型计算机的一个重要分支，特别适合用于智能控制系统。

一、概述单片机PID温度控制系统是一种利用单片机对温度进行控制的智能系统。

在工业和日常生活中，温度控制是非常重要的，可以用来控制加热、冷却等过程。

PID控制器是一种利用比例、积分、微分三个调节参数来控制系统的控制器，它具有稳定性好、调节快等优点。

本文将介绍基于单片机的PID温度控制系统设计的相关原理、硬件设计、软件设计等内容。

二、基本原理1. PID控制器原理PID控制器是一种以比例、积分、微分三个控制参数为基础的控制系统。

比例项负责根据误差大小来控制输出；积分项用来修正系统长期稳态误差；微分项主要用来抑制系统的瞬时波动。

PID控制器将这三个项进行线性组合，通过调节比例、积分、微分这三个参数来实现对系统的控制。

2. 温度传感器原理温度传感器是将温度变化转化为电信号输出的器件。

常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器等。

在温度控制系统中，温度传感器负责将环境温度转化为电信号，以便控制系统进行监测和调节。

三、硬件设计1. 单片机选择单片机是整个温度控制系统的核心部件。

在设计单片机PID温度控制系统时，需要选择合适的单片机。

常见的单片机有STC89C52、AT89S52等，选型时需要考虑单片机的性能、价格、外设接口等因素。

2. 温度传感器接口设计温度传感器与单片机之间需要进行接口设计。

常见的温度传感器接口有模拟接口和数字接口两种。

模拟接口需要通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，而数字接口则可以直接将数字信号输入到单片机中。

3. 输出控制接口设计温度控制系统通常需要通过继电器、半导体元件等控制输出。

在硬件设计中，需要考虑输出接口的类型、电流、电压等参数，以及单片机与输出接口的连接方式。

四、软件设计1. PID算法实现在单片机中，需要通过程序实现PID控制算法。

常见的PID算法包括位置式PID和增量式PID。

在设计时需要考虑控制周期、控制精度等因素。

2. 温度采集和显示单片机需要通过程序对温度传感器进行数据采集，然后进行数据处理和显示。

51单片机PID算法程序增量式PID控制算法增量式PID控制算法是一种常用的控制算法，可以应用于各种控制系统中。

该算法的原理是通过计算目标值与实际值之间的差异，来调整控制系统的输出，使其逐渐接近目标值。

增量式PID控制算法的核心思想是通过对目标值与实际值之间的差异进行积分和微分计算，来调整控制系统的输出。

这样可以使得控制系统对误差的响应更加敏感，从而实现更精确的控制效果。

在51单片机中实现增量式PID控制算法，可以按照以下步骤进行：1.参数设置：首先需要设置PID控制算法的参数，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。

这些参数可以根据实际控制系统的需求进行调整。

2.变量定义：定义控制系统所需的变量，包括目标值、实际值、误差值、上一次的误差值、累积误差值等。

3.计算误差：将目标值与实际值之间的差异作为误差值进行计算。

4.计算增量输出：根据误差值以及上一次的误差值和累积误差值，计算控制系统的增量输出。

增量输出的计算公式为：增量输出=Kp*(当前误差-上一次误差)+Ki*当前误差+Kd*(当前误差-上一次误差)5.更新变量：更新控制系统所需的变量，包括上一次的误差值和累积误差值。

6.输出信号：将增量输出作为控制系统的输出信号，并进行相应的处理。

通过上述步骤，就可以实现51单片机的增量式PID控制算法。

在实际应用中，可以根据具体情况对算法进行优化和改进，以满足实际控制的需求。

总结起来，增量式PID控制算法是一种常用的控制算法，可以通过计算目标值与实际值之间的差异，调整控制系统的输出，从而实现精确的控制效果。

在51单片机中实现增量式PID控制算法，可以按照参数设置、变量定义、计算误差、计算增量输出、更新变量和输出信号等步骤进行。

根据具体情况可以对算法进行优化和改进，以满足实际控制的需求。

姓名：专业：学号：学科：基于单片机的软件实现PID温度控制系统引言随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的高精度性要求越来越高，其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小，成本低，功能强，简便易行而得到广泛应用。

温度控制器作为一种重要的控制设备，在化工，食品等诸多工业生产过程和家用电器中得到了广泛的应用，本文主要讨论在家用电器电冰箱中得到广泛应用的数字PID控制，在单片机温度控制系统中的应用。

通过对实验数据的分析表明单片机的温度控制系统设计的合理性和有效性。

1硬件系统设计本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分：单片机主控模块，输入通道输出通道等。

硬件总体结构框图如图所示。

图1中，温度控制系统以单片机为核心，并扩展外部存储器，构成主控模块零度保鲜箱的温度由铂Pt100电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过位的转换器转换成数字量，此数字量经过数字滤波之后，一方面将零度保鲜箱的温度通过控制面板上的液晶显示器显示出来，另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比，即控制零度保鲜箱制冷平均功率的大小，进而达到对零度保鲜箱温度进行控制的目的。

控制系统电路的核心器件是Atmel公司生产的单片机,图2所示.它是一种低功耗低电压高性能的位单片机片，内带有一个的可编程可擦除只读存储器，它采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术。

其输出引脚和指令系统都与MCS51兼容且价格低廉,性能可靠,抗干扰能力强,因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。

为了节省成本和体积采用多路选择开关和AD7705模数转换器协同工作，组成多路数据采集系统.AT24C02是Atmel公司生产的EEPROM器件,存储容量256字节可擦写次数达100万次,主要用来存储设定温度。

2软件实现PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一,在微机测控系统中,软件与硬件同样重要.硬件是系统的躯体,软件则是灵魂,当系统的硬件电路设计好之后,系统的主要功能还是要靠软件来实现,而且软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能,很多的单片机软件系统都是采用如图2所示的前后台系统也称超循环系统。

基于单片机模糊PID控制算法实验设计基于单片机的模糊PID控制算法是一种将模糊逻辑和PID控制相结合的控制方法。

模糊PID控制算法在许多工程和科学领域中具有广泛的应用，用于控制各种物理系统，例如机械系统、电子系统和化学系统等。

本文将介绍基于单片机的模糊PID控制算法的实验设计。

一、实验目的本实验旨在通过使用单片机实现模糊PID控制算法，控制一个虚拟物理系统的运动。

通过这个实验，我们可以了解模糊PID控制算法的原理和实现过程，并通过实验结果对其性能进行评估。

二、实验原理模糊PID控制算法是将模糊逻辑和传统的PID控制算法相结合而得到的一种控制方法。

PID控制算法是一种反馈控制方法，它通过测量和计算系统的误差，调整输出控制量，使得系统的运行状态能够接近期望状态。

模糊PID控制算法的原理是，在PID控制算法的基础上，使用模糊逻辑来处理模糊因素，使得控制系统能够对模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。

模糊逻辑是对不确定性和模糊性进行建模和处理的一种方法，它能够通过模糊集合和模糊规则来描述和处理模糊因素。

在模糊PID控制算法中，首先使用一组模糊集合来表示误差和变化率的程度，然后建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量，最后将模糊控制量经过模糊解模糊化得到实际控制量。

这样，通过模糊逻辑的处理，能够使得控制系统对于模糊因素有更好的适应性和鲁棒性。

三、实验步骤1.设计一个虚拟物理系统，可以使用一个电机控制器和一个电机模拟器来模拟物理系统的运动。

2.根据虚拟物理系统的特性，确定控制系统的输入和输出变量，例如位置和速度。

3.设计一组模糊集合来表示位置和速度的程度，例如“远”、“近”、“大”、“小”等。

4.建立一组模糊规则，通过模糊推理得到模糊控制量。

5.设计一个PID控制算法，用于计算系统的误差和调整输出控制量。

6.将模糊控制量和PID控制量相结合，得到最终的实际控制量。

7.使用单片机编程语言，例如C语言，实现上述的模糊PID控制算法。

单片机P I D算法程序公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-51单片机P I D算法程序(二)位置式P I D控制算法由51单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。

51单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PID运算，再通过DA把控制量反馈回控制源。

从而实现对系统的伺服控制。

位置式PID控制算法位置式PID控制算法的简化示意图上图的传递函数为：（2-1）在时域的传递函数表达式（2-2）对上式中的微分和积分进行近似（2-3）式中n是离散点的个数。

于是传递函数可以简化为：（2-4）其中u(n)——第k个采样时刻的控制；KP——比例放大系数；Ki——积分放大系数；Kd——微分放大系数；T ——采样周期。

如果采样周期足够小，则（2-4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。

（2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。

缺点：1）由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对e(k)(k=0,1,…n)进行累加，工作量大。

2）因为计算机输出的u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。

位置式PID控制算法C51程序具体的PID参数必须由具体对象通过实验确定。

由于单片机的处理速度和ram资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。

这个程序只是一般常用pid算法的基本架构，没有包含输入输出处理部分。

前言温度是表征物体冷热程度的物理量。

在很多生产过程中，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。

单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。

现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。

但随之而来的是巨额的成本。

在很多的小型系统中，处理机的成本占了系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。

随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。

现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。

1绪论1.1研究的目的和意义温度是工业生产中主要被控参数之一，温度控制自然是生产的重要控制过程。

工业生产中温度很难控制，对于要求严格的的场合，温度过高或过低将严重影响工业生产的产质量及生产效率，降低生产效益。

这就需要设计一个良好温度控制器，随时向用户显示温度，而且能够较好控制。

单片机具有和普通计算机类似的强大数据处理能力，结合PID，程序控制可大大提高控制效力，提高生产效益[9]。

下面是一个基于单片机的PID电机调速控制系统的硬件电路设计示例：
电路中使用了一个STM32F103C8T6微控制器，该MCU内置了PWM输出、ADC输入、定时器计数等功能，非常适合用于电机调速控制。

电机驱动采用了L298N模块，可以
控制两个直流电机的转速和方向。

另外，根据需要，可以加入光电编码器或霍尔传感
器等来获取电机的转速反馈信号。

电路中还使用了一个LCD1602液晶屏来显示电机转速、目标速度、PWM输出等信息，方便用户进行调试和监控。

此外，还可以使用按键开关来控制电机的启停和目标速度
的调节。

在硬件电路设计完成后，需要编写单片机程序来实现PID控制算法、PWM输出、
ADC采样等功能。

通常可以使用Keil、IAR等集成开发环境来编写和调试程序，也可
以使用Arduino IDE等编程环境进行开发。

这只是一个简单的PID电机调速控制系统的硬件电路设计示例，具体的实现方式和细
节可能会因应用场景和需求的不同而有所不同。

基于单片机pid算法的直流电机速度控制方法基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法是一种常用的技术，其基本原理是通过调节PWM（脉宽调制）信号的占空比来控制电机的输入电压，从而实现电机的速度控制。

以下是基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法的基本步骤：1.设定目标速度：首先，需要设定电机的目标速度。

这可以通过按键或其他输入设备来实现。

2.采集实际速度：为了实现精确的控制，需要实时获取电机的实际速度。

这可以通过在电机转轴上安装光电编码器或霍尔传感器来实现，这些传感器可以实时检测电机的转速并将其转换为电信号。

3.计算偏差：单片机通过比较目标速度和实际速度，计算出速度偏差。

如果实际速度小于目标速度，偏差为负；反之，偏差为正。

4.应用PID算法：单片机使用PID算法来处理速度偏差。

PID控制器通过比例、积分和微分三个环节来计算控制量，以尽可能消除偏差。

具体的PID参数（如Kp、Ki、Kd）可以根据实际情况进行调整，以获得最佳的控制效果。

5.生成PWM信号：基于PID控制器的输出，单片机生成PWM信号来调节电机的输入电压。

占空比决定了电机输入电压的大小，进而影响电机的转速。

6.实时调整：在整个控制过程中，单片机不断采集电机的实际速度，计算偏差，并调整PWM信号的占空比，以使电机尽可能接近目标速度。

7.显示和保存数据：为了方便调试和观察，可以通过单片机的显示屏实时显示电机的实际速度和偏差。

此外，也可以将重要的数据保存在单片机的内部或外部存储器中。

8.安全保护：为了防止电机过载或意外事故，单片机应具备安全保护功能。

例如，当电机实际速度超过设定速度一定时间时，单片机应自动切断电源或发出报警信号。

基于单片机PID算法的直流电机速度控制方法具有精度高、稳定性好、适应性强等优点，广泛应用于各种需要精确控制电机速度的场合。

51单片机PID算法程序(一)PID算法(原创文章，转载请注明出处/tengjingshu) 比例，积分，微分的线性组合，构成控制量u(t)，称为：比例(Proportional)、积分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，简称PID控制图1控制器公式在实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，构成比例(P)控制器比例+积分(PI)控制器比例+积分+微分(PID)控制器式中或式中控制系统中的应用在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。

自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、也为及其他工艺参数的自动控制。

比例作用P只与偏差成正比；积分作用I是偏差对时间的积累；微分作用D 是偏差的变化率；比例(P)控制比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。

除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差。

当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳态误差。

比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

图2比例(P)控制阶跃响应积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零。

积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。

图3积分(I)控制和比例积分(PI)控制阶跃相应微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

pid控制算法系列（2）pid控制算法1.PID控制算法的基本思想PID算法是一种具有预见性的控制算法，其核心思想是：1>. PID算法不但考虑控制对象的当前状态值（现在状态），而且还考虑控制对象过去一段时间的状态值（历史状态）和最近一段时间的状态值变化（预期）,由这3方面共同决定当前的输出控制信号；2>.PID控制算法的运算结果是一个数，利用这个数来控制被控对象在多种工作状态（比如加热器的多种功率，阀门的多种开度等）工作，一般输出形式为PWM，基本上满足了按需输出控制信号，根据情况随时改变输出的目的。

2.PID算法分析：设某控制系统：用户设定值为SV(也就是希望通过PID控制算法使被控制对象的状态值保持在SV的附近)。

1>从系统投入运行开始，控制算法每隔一段时间对被控制对象的状态值进行采样。

由此，可得到开机以来由各个采样时间点被控制对象的状态值所形成的数据序列：X1,X2, X3, X4, .... Xk-2,Xk-1,Xk说明：X1：开机以来的第一次采样值Xk: 目前的采样值（最近一次的采样值）2> 从这个采样值序列中提取出三方面信息：①当前采样值Xk与用户设定值SV之间的差值：EkEk =Sv - Xk分析Ek:Ek >0:说明当前状态值未达标Ek=0:说明当前控制状态值正好满足要求Ek<0:说明当前状态值已经超标结论：Ek反应了控制对象当前值与设定值的偏差程度，可以根据Ek的大小对输出信号OUT进行调整：偏差程度大OUT增大，偏差程度小OUT减小。

即输出信号的强弱与当前偏差程度的大小成比例，所以根据Ek的大小来给出控制信号OUT的当前值的算法称为比例控制（Proportion）。

用数学模型可以表示为：POUT=（Kp*Ek）+ Out0Kp:一般称之为比例系数，可以理解为硬件上的放大器（或衰减器），适当选取Kp将当前误差值Ek按一定的增益放大或缩小，以提高控制算法的相应速度。

基于单片机的PID温度控制方案李金垒在测量部分，要求测量15℃～60℃的温度范围，测量的精度±0.5ºC，测温的结果要求显示。

在控制部分，要求在一定的时间内达到设定温度，同时在液晶显示屏显示温度随时间的实时变化。

主要性能指标有：（1）测量精度：±0.5℃；（2）控制精度：±1℃；（3）达到设定温度且稳定后时间不超过250s；（4）温度设定范围：15℃～60℃；（5）保护：当温度大于55℃或者小于25℃时，蜂鸣器报警；（6）显示：显示屏显示当前温度和设定温度。

第一章硬件方案设计通过对设计要求进行深入的分析和思考，可将整个系统分为以下几个模块：电源模块，温度测量模块，控制模块，加热模块。

如图1所示，为硬件系统结构电路图：下面将对各个模块的器件选择、功能、电路结构等分别进行一一说明。

1.1 电源模块电源模块主要的功能是分别为控制模块提供稳定的电压和为加热模块提供充足的能量。

以元件lm7805为核心，lm7805是三端稳压电源模块，模块有三个管脚，管脚分别为输入、地、输出。

额定输出电流1.5A，最大输入电压35V，输入输出压差的最大值是30V，最小值2V，输出电压5V，误差0.2V，实际应用时应根据压差和电流确定其耗散功率，增加适当的散热装置。

7805三端稳压集成电路的使用方便，所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便。

1.2 温度测量模块以温度传感器DS18B20为核心进行搭建。

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

1.3 控制模块本设计的控制芯片为AT89S52，结合软件控制算法，用按键来对温度进行控制。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

51单片机编程简单，方便实现。

1.6 加热模块加热模块分为驱动和发热元件。

《自动控制原理》课程设计指导老师：邹恩年级专业：13 自动化 4 班姓名学号(分工) 韩锦澎 201330280107（电路设计） 韦伊玲 201330280219 （程序编写） 徐敏芳 201330280723 （焊接调试） 王可欣 201330280102 （论文）2015年1月7 日1目录1. 系统设计方案......................................................3 1.1 方案一........................................................3 1.2 方案二 .......................................................3 1.3 方案三........................................................3 1.4 方案的比较和确定..............................................3 2.系统硬件部分设计...................................................3 2.1 系统硬件电路图 ...............................................3 2.1.1 单片机 AT89C52 ..........................................4 2.1.2 单片机与 LCD 通信连接 ....................................4 2.1.3 其他电路模块及总电路 .......................................5 3 系统软件部分 .......................................................5 3.1 系统的主流程图如下............................................5 4.温度控制系统 PID 调节...............................................6 4.1 PID 控制传递函数..............................................6 4.2 PID 参数调节方法..............................................6 4.3 PID 参数设定..................................................6 5.实验与调试.........................................................7 6.总论...............................................................8 附 录.............................................................8参 考 文 献.........................................................2421. 系统设计方案1.1 方案一 选用铂电阻温度传感器。

摘要温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。

控制精度直接影响着产品质量的好坏。

本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。

因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。

本文以模糊自整定 PID 控制算法为基础，设计以8031单片机为主体的控制系统控制电炉,构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。

单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热电炉。

本文提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。

关键词：电炉；单片机；模糊 PID。

AbstractTemperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.In this paper, we use fuzzy self-regulated PID algorithmt to design a electric stove control system depending on mainly 8031 chip and build a intelligent controller which can process complicated data and realize complicated control functiong, meanwhile is alao regarded as an independent SCM control system which has higher flexibility and dependability. The SCM accords to all kinds input orders to carry out intelligent algorithm in order to get control value, then to feed out the pulse signal to trigger circuit and drive the two-way silicon in order to heat the stove.The control system based fuzzy self-regulated PID algorithm has real intelligence and flexibility. The functions include automatic detection, real-time data gather and precess and displaying the control output and so on, which do well in improving the control precision. Keyword：Electric stove；SCM；Fuzzy PID.目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 控制器发展现状 (1)1.2.1 PID 控制器的发展现状 (1)1.2.2 模糊 PID 控制 (2)1.2.3 模糊自整定 PID 控制 (2)1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 (2)第2章模糊自整定 PID 控制器的设计 (4)2.1 模糊推理机的设计 (4)2.1.1 模糊推理机的结构 (4)2.1.2 模糊推理机的设计 (4)2.1.2.1 精确量的模糊化 (5)2.1.2.2 建立模糊控制规则和模糊关系 (5)2.1.2.3 输出信息的模糊决策 (6)2.2 模糊自整定 PID 控制器 (6)2.2.1 PID 参数对 PID 控制性能的影响 (6)2.2.2 模糊自整定 PID 控制器 (7)2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究 (8)2.3.1 Matlab 仿真结构图 (8)2.3.2 惯性时间常数的影响 (9)2.4 仿真结果分析 (10)第3章系统硬件和电路设计 (11)3.1引言 (11)3.2 系统的总体结构 (11)3.3 温度检测电路 (12)3.3.1 温度传感器 (12)3.3.2 测量放大器的组成 (12)3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法 (13)3.4 多路开关的选择 (13)3.5 A/D转换器的选择及连接 (14)3.6 单片机系统的扩展 (15)3.6.1 系统扩展概述 (15)3.6.2 常用扩展器件简介 (16)3.7 存储器的扩展 (17)3.7.1 程序存储器的扩展 (17)3.7.1.1只读存储器简介 (17)3.7.1.2 EPROM2764简介 (17)3.7.2 数据存储器的扩展 (18)3.7.2.1数据存储器概述 (18)3.7.2.2静态RAM6264简介 (19)3.7.2.3数据存储器扩展举例 (19)3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片） (20)3.8.1 8155的结构和引脚 (20)3.8.2 8155的控制字的及其工作方式 (21)3.8.3 8155与8031的连接 (22)3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 (23)3.9.1看门狗电路的设计 (23)3.9.2报警电路的设计 (23)3.9.3复位电路的设计 (24)3.9.4 时钟电路的设计 (25)3.10 键盘与显示电路的设计 (25)3.10.1 LED数码显示器的接口电路 (25)3.10.2键盘接口电路 (26)3.11 DAC7521数模转换接口 (27)3.12 隔离放大器的设计 (28)3.13 可控硅调功控温 (29)3.13.1过零触发调功器的组成 (29)3.13.2主要电路介绍 (30)3.14 单片机开关稳压电源设计 (31)第4章系统软件设计 (32)4.1 主要程序的框图 (32)4.1.1主程序框图 (32)4.1.2键盘中断服务子程序 (33)4.1.3恒温及升温测控子程序 (34)4.1.4降温测控子程序 (35)4.2 模糊自整定 PID 控制算法 (36)致谢 (39)参考文献 (40)附录 (42)第1章 绪论1.1 引言电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。

摘要本设计是一种温度控制系统，温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。

其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。

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、促进科技进步等具有重要的现实意义。

PID控制法最为常见，控制输出采用PWM波触发可控硅来控制加热通断。

使系统具有较高的测量精度和控制精度。

单片机控制部分采用AT89S51单片机为核心，采用Keil 软件进行编程，同时采用分块的模式，对整个系统的硬件设计进行分析，分别给出了系统的总体框图、温度检测调理电路、A/D转换接口电路，按键输入电路以及显示电路，并对相应电路进行相关的阐述软件采用PID算法进行了建模和编程，在Proteus环境中进行了仿真。

关键词：PID;单片机；温度控制；Keil；ProteusAbstractThis design is a kind of temperature control system,The temperature control in industrial production and scientific research is of great significance.Belongs to pure first-order lag link, the control system has the characteristics of big inertia, pure lag and nonlinear, the traditional control overshoot and adjustment time is long, low control precision.By single chip microcomputer temperature control, has simple circuit design, high accuracy and good control effect, to improve the production efficiency, promote the progress of science and technology has important practical significance.PID control is the most common, the control output PWM wave triggering thyristor is used to control the heating on and off.Make the system has high accuracy of measurement and control precision.Single-chip microcomputer control part adopts single chip microcomputer A T89S51 as the core,Using Keil software programming,Using block pattern at the same time, analyzes the hardware design of the whole system, respectively, of the overall system block diagram is given, the temperature detection circuit, A/D conversion interface circuit, key input circuit and display circuit, and the corresponding circuit are related in this paper, the software, the PID algorithm is used for modeling and programming in the Proteus simulation environment.Key words:PID；Single chip microcomputer；The temperature control；Keil；Proteus目录1绪论 (1)2设计方案 (2)3系统硬件仿真电路 (3)3.1 温度测量调理电路 (3)3.2 A/D转换电路 (4)3.3 按键输入电路 (5)3.4 数码管显示电路 (6)3.5 温度控制电路 (7)4程序设计 (9)4.1 程序整体设计 (9)4.2 子程序设计 (1111)4.3源程序设计 (119)5软件调试与运行结果 (41)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)1绪论现代工业生产过程中，用于热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。

式中或式中控制系统中的应用在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。

自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、也为及其他工艺参数的自动控制。

比例作用P只与偏差成正比；积分作用I是偏差对时间的积累；微分作用D是偏差的变化率；比例(P)控制比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。

除了系统控制输入为0和系统过程值等于期望值这两种情况，比例控制都能给出稳态误差。

当期望值有一个变化时，系统过程值将产生一个稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳态误差。

比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

图2比例(P)控制阶跃响应积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

为了减小稳态误差，在控制器中加入积分项，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零。

积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。

图3积分(I)控制和比例积分(PI)控制阶跃相应微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

由于自动控制系统有较大的惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，在调节过程中可能出现过冲甚至振荡。

解决办法是引入微分(D)控制，即在误差很大的时候，抑制误差的作用也很大；在误差接近零时，抑制误差的作用也应该是零。

图4微分(D)控制和比例微分(PD)控制阶跃相应总结：PI比P少了稳态误差，PID比PI反应速度更快并且没有了过冲。

现代电子技术Modern Electronics TechniqueApr. 2024Vol. 47 No. 82024年4月15日第47卷第8期0 引 言在工农业生产和人们日常生活中，温度是重要的控制量之一，例如：在冶金、窑炉、粮库、温室大棚、生物、医药、化工、休闲及居住场所等方面都需要对温度进行实时监测和控制[1⁃3]。

在某些生产领域，温度控制直接关系到产品的质量和性能，需要更加精确的温度控制系统[4⁃5]。

温度具有滞后、惯性大、非线性等特点，很难精确控制[6]，为此，文中设计了一款智能温度控制系统，采用STC89C52单片机为控制器。

PID 算法因其控制方法简单、效果好，在工业领域的温度控制方面被广泛应用[7⁃9]，DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.08.013引用格式：祖一康，徐妙婧.基于单片机和PID 算法的温度智能控制系统设计[J].现代电子技术，2024，47（8）：83⁃89.基于单片机和PID 算法的温度智能控制系统设计祖一康1， 徐妙婧2（1.黄冈师范学院 机电与智能制造学院， 湖北 黄冈 438000； 2.黄冈师范学院 物理与电信学院， 湖北 黄冈 438000）摘 要： 为提高温度控制的智能化水平，设计一种智能温度控制系统。

该系统以STC89C52单片机为控制器，采用PID 算法控制温度，具有语音播报和手机远程控制等功能。

采用DS18B20温度传感器采集环境温度；设计LCD12864显示电路实时显示当前温度、温度上下限以及温度状态；设计WT588D 语音提醒电路，当测量温度小于下限或大于上限时发出语音提醒；设计按键电路实现温度上下限值的设定；设计蓝牙通信电路，与手机APP 通信，实现远程控制；采用PID 算法输出控制量，控制固态继电器驱动加热或降温装置，实现温度控制。

其次，对温度控制系统的硬件和软件进行设计，并制作实物进行运行测试。

51单片机PID算法程序(二)位置式PID控制算法由51单片机组成的数字控制系统控制中，PID控制器是通过PID控制算法实现的。

51单片机通过AD对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现PID运算，再通过DA把控制量反馈回控制源。

从而实现对系统的伺服控制。

位置式PID控制算法位置式PID控制算法的简化示意图? 上图的传递函数为：（2-1）?? 在时域的传递函数表达式（2-2）?? 对上式中的微分和积分进行近似（2-3）?? 式中n是离散点的个数。

?? 于是传递函数可以简化为：（2-4）其中u(n)——第k个采样时刻的控制；K P? ——比例放大系数；???K i?? ——积分放大系数；K d?? ——微分放大系数；T?? ——采样周期。

如果采样周期足够小，则（2-4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。

（2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。

缺点：1）??????????? 由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时要对e(k)(k=0,1,…n)进行累加，工作量大。

2）??????????? 因为计算机输出的u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在实际生产中是不允许的。

位置式PID控制算法C51程序具体的PID参数必须由具体对象通过实验确定。

由于单片机的处理速度和ram资源的限制，一般不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，运算到最后再除以一个2的N次方数据（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度，根据控制精度的不同要求，当精度要求很高时，注意保留移位引起的“余数”，做好余数补偿。

这个程序只是一般常用pid算法的基本架构，没有包含输入输出处理部分。