基于PID的温度控制系统设计

基于PID控制器的温度控制系统设计随着现代工业的快速发展，各种自动控制系统也得到了广泛应用。

其中，基于PID控制器的温度控制系统设计广泛应用于化工、制药、冶金等行业。

本文将从基本原理入手，详细论述基于PID控制器的温度控制系统设计。

一、PID控制器的原理PID控制器是一种经典的控制器，它采用比例、积分、微分三个控制量的组合，通过对控制量不同比例的组合，实现对被控对象的精确控制。

具体来说，PID控制器将被控对象的当前状态与期望的目标状态进行比较，计算出误差值，然后对误差值进行P、I、D三个控制量的加权计算，得到控制输出值，通过执行控制动作，使被控对象达到期望的目标状态。

其中，比例控制P以被控对象的当前状态与期望目标状态之间的误差值为输入，按比例放大输出控制信号，其控制效果主要针对误差量的大小。

积分控制I主要是针对误差值的积累程度，在误差值持续存在的情况下逐渐加大控制输出的幅度，使被控对象逐渐趋近期望的目标状态。

微分控制D主要是针对误差值的变化速度，当偏差值增加或减小的速率较快时，将适当增大或减小控制输出量的幅度，以加快误差的消除速度。

综上所述，PID控制器的优点在于能够快速消除误差，避免超调和欠调，稳定性强，且对于被控对象的性质要求不高。

因此，PID控制器成为了温度控制系统设计的主要控制器之一。

二、温度传感器的选取温度控制系统的核心是温度控制器，其中最关键的部分是温度传感器。

良好的温度传感器应具有温度响应时间短、测量范围广、精度高等特点。

其中最常用的温度传感器是热电偶和热电阻。

热电偶是一种基于热电效应的温度测量传感器，它是利用不同材料所产生的热电动势的差别测量温度。

热电偶具有灵敏度高、阻抗小、动态响应快等特点，但受到热电对、交流电干扰等因素影响较大，测量过程中容易出现漂移现象。

热电阻是一种利用金属或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的传感器。

热电阻具有较高的精度、长期稳定性好的特点，但响应迟缓，对于超出其量程的高温不可用。

基于PID 电加热炉温度控制系统设计1概述电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。

对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。

采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。

在本控制对象电阻加热炉功率为800W ，由220V 交流电供电，采用双向可控硅进行控制。

本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50~350C ，保温阶段温度控制精度为正负1度。

选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。

其对象问温控数学模型为：1)(+=-s T e K s G d sd τ 其中：时间常数Td=350秒放大系数Kd=50滞后时间τ=10秒控制算法选用改PID 控制2系统硬件的设计本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。

系统硬件结构框图如下：图2-1 系统硬件结构框图看门狗 报警提醒通信接口 LED显示 键盘 微型控制机 AT89S52 温度检测PT100 驱动执行机构 8路D/A 转换器DAC0832 测量变送 8路A/D 转换器ADC0809 加热电阻温度图2-2 系统电路图2.1电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

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。

计算机控制技术课程设计报告题目基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计授课教师盖宁学生姓名学号专业教学单位完成时间目录摘要 (1)第1章课程设计方案 (1)1.1系统组成中体结构 (1)第2章控制系统的建模和数字控制器设计 (1)2.1 数字PID控制算法 (1)第3章硬件设计 (4)3.1 温度检测及功率放大电路 (4)3.2 AD574A模/数转换电路 (4)3.3执行机构 (5)3.4 报警电路设计 (6)3.5 设计输入输出通道 (7)第4章软件设计 (8)4.1 系统程序流程图 (8)4.1.1 系统主程序框图 (8)4.1.2 A/D转换子程序流程图 (9)4.1.3 LED显示流程图 (10)4.1.4 报警程序流程图 (11)4.1.5数字控制算法子程序流程图 (12)第5章总结以及电路图 (12)5.1系统电路图 (12)参考文献 (14)基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计摘要：电加热炉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。

本设计采用PID算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。

电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。

调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。

本系统PID算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。

关键词：电加热炉；PID ；功率；温度控制；一.课程设计方案1.1 系统组成中体结构电加热炉温度控制系统原理图如下，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。

一、控制对象：1.2.1 被控对象本次设计为软件仿真，通过PID算法控制系统在单位阶跃信号u(t)的激励下产生的零状态响应。

传递函数表达式为：1.2.2 设计规定规定系统可以快速响应，并且可以迅速达成盼望的输出值。

本次设计选用PID控制算法，PID控制器由比例控制单元P、积分控制单元I和微分控制单元D组成。

其输入与输出的关系为式中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

二、控制规定分析：设定目的温度，使温度呈单位阶跃形式在目的温度处趋于震荡稳定。

使系统可以在任意设定的目的温度下，从现有温度达成目的温度，并趋于稳定状态。

三、可行性分析:参考国内外的技术资料，可以通过计算机仿真技术实现该模拟温度闭环控制系统；运用C语言实现基于PID算法的模拟温度闭环控制系统。

四、总体设计：4.1控制系统组成控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图4.2工作原理：在图1 所示系统中，D(z)为该系统的被控对象，零状态下，输入为单位阶跃信号R 的输出反馈给输入。

在参数给定值R的情况下，给定值R 与反馈值比较得到偏差，通过PID 调节器运算产生相应的控制量，PID 调节器的输出作为被控对象的输入信号，是输入的数值稳定在给定值R 。

4.3模拟PID 控制算法原理：在模拟系统中PID 算法的表达式为：式中，P(t)为调节器输出信号，e(t)为调节器偏差信号，它等于测量值与给定值之差；Kp 为调节器的比例系数，1/T1为调节器的积分时间， Td 为调节器的微分时间。

在计算机控制系统中，必须对上式进行离散化使其成为数字式的差分方程。

将积分式和微分项近似用求和及增量式表达。

即：PID 控制器 D(z) u 1(t) R + e(t) _ u(t)将上面两个式子代入第一式，得：由此式可以运用递推求出K-1次的PID输出表达式用K-1次的输出减去第K次的输出得：4.4系统设计流程图由此可以编制基于PID算法的C语言程序实现温度闭环控制系统。

（2014届）毕业设计题目：基于PID的温度控制系统设计学院： ********专业：电气工程及其自动化班级：电气***学号： **********姓名：某某某指导教师：某某某教务处制年月日诚信声明我声明，所呈交的论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得＿＿＿＿＿＿或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

我承诺，论文中的所有内容均真实、可信。

论文作者签名：签名日期：年月日授权声明学校有权保留送论文交的原件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对论文进行任意处置。

论文作者签名：签名日期：年月日基于PID的温度控制系统设计摘要温度是工业上最基本的参数，与人们的生活紧密相关，实时测量温度在工业生产中越来越受到重视，离不开温度测量所带来的好处，因此研究控制和测量温度具有及其重要的意义。

本设计介绍了以AT89C52单片机为主控器件，基于PID的温度控制系统的设计方案和设计的基本原理。

由DS18B20收集温度信号，并以数字信号的方式送给单片机进行处理，从而达到温度控制的目标。

主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

硬件电路由主控器件、温测电路、温控电路和显示电路等组成。

软件设计部分包括：显示电路、温度信号处理，超温警报、继电器控制、按键处理等程序。

关键词：温度检测，温度控制，PID算法Design of Temperature Control System Based on PIDAbstractTemperature is the most basic parameters of industrial and closely related with people's lives, real-time measurement of temperature in industrial production and more attention, which is inseparable from the benefits of the temperature measurement, temperature control and measurement study therefore has its significance.This design introduces the basic principles to AT89C52 microcontroller-based controller pieces temperature control system design and design. Collected by the DS18B20 temperature signal, and digital signal sent by way of the microcontroller for processing, so as to achieve the target temperature control. Including the design of hardware circuit design and system programs. Hardware circuit includes a master device, the temperature measuring circuit, temperature control circuit and display circuit. Software design, including: display electrical, temperature, signal processing, over-temperature alarm, relay control, key handling procedures.Keywords: temperature detection, temperature control, PID algorithm摘要 (II)Abstract (III)1绪论 01.1课题的来源 01.2课题的意义 01.3课题研究的主要内容 02硬件设计 (2)2.1单片机控制模块的设计 (2)2.1.1 AT89C52单片机简介 (2)2.1.2 单片机的引脚功能 (3)2.1.3 单片机控制模块的电路设计 (4)2.1.4 电源设计 (5)2.2温度采集模块的设计 (6)2.2.1 DS18B20芯片的简介 (6)2.2.2 DS18B20的内部结构 (7)2.2.3 DS18B20的供电方式 (9)2.2.4 DS18B20的引脚功能 (9)2.3温度控制模块的设计 (10)2.4按键及显示模块的设计 (12)2.4.1 LCD1602的参数和引脚功能 (13)2.4.2 LCD1602的特点 (14)2.4.3 按键电路的设计 (14)2.5报警模块的设计 (15)3软件设计 (17)3.1主程序的设计 (17)3.2DS18B20读温度程序的设计 (17)3.3键盘扫描程序的设计 (18)3.4报警处理程序的设计 (19)3.5PID控制算法 (19)4系统仿真 (23)参考文献 (28)致谢 (29)附录 (30)1.1课题的来源在食品加工、化工、冶炼等工业控制和生产中，在工业生产和日常生活中经常要用到温度检测和控制。

基于PID算法的温度控制系统设计随着科技的不断发展，温度控制系统得到了广泛的应用。

无论是工业制造还是家庭生活，都会用到温度控制系统。

在这个系统中，PID算法是最常用的控制算法之一。

本文将介绍基于PID算法的温度控制系统的设计。

一、系统概述温度控制系统可以用于控制温度控制在一定范围内。

该系统包括一个温度传感器、一个控制器、一个执行器和一个热源。

其中，温度传感器用于将温度信号转换成电信号，控制器用于处理电信号，执行器用于控制热源加热或停止加热。

在温度控制系统中，PID算法是控制器中使用的一种算法。

二、PID算法原理PID控制算法分别根据偏差、积分错误和微分错误来控制系统。

PID算法控制器包括控制模块、时间模块、输出模块、PID模块和作用模块。

该算法可以通过增大或减少控制器的输出来控制系统的状态，以便实现温度控制。

模型中包含比例项、积分项和微分项。

控制器采用增益因子对其中的每一个部分进行调整，以便更好地控制系统。

三、系统设计在设计基于PID算法的温度控制系统时，需要首先将传感器连接到控制器。

控制器可以收集从温度传感器中收集的温度信号并将其转换成电信号。

然后，该信号将被发送到PID算法控制器，该控制器可以使用PID算法来计算输出信号。

输出信号可以通过执行器来控制加热或停止加热的热源，从而实现温度控制。

四、系统的优点基于PID算法的温度控制系统可以实现更准确和更稳定的温度控制。

相对于其他控制算法来说，该算法具有更优秀的响应特性和更敏感的响应速度。

此外，该算法可以进行现场校准，更容易进行二次开发。

五、系统的应用基于PID算法的温度控制系统广泛应用于各个领域。

在工业制造领域，该系统可以用于控制各种设备和工具的温度，以保证生产质量。

在医疗领域，该系统可以用于监控体温，并确保患者在治疗过程中保持稳定的体温。

此外，在家庭生活中，基于PID算法的温度控制系统可以帮助人们更好地控制室内温度，从而提高生活舒适度。

总之，基于PID算法的温度控制系统可以广泛应用于各种领域。

基于PID算法的恒温控制系统设计一、引言恒温控制系统是指通过对温度进行实时监测和反馈调节，使得系统内的温度能够稳定在设定的目标温度上。

PID控制是一种常用的控制策略，它将比例控制、积分控制和微分控制三种控制方式相结合，能够快速、精确地调节系统的动态响应和稳定性。

本文将介绍基于PID算法的恒温控制系统的设计流程和关键技术。

二、系统设计1.系统结构PID控制系统由传感器、控制器和执行器三部分组成。

传感器负责实时监测系统内的温度值，并将监测结果反馈给控制器。

控制器根据温度的反馈值与设定的目标温度之间的差异，通过比例、积分和微分三个环节，计算出控制信号，并将控制信号发送给执行器。

执行器根据控制信号的大小，调节加热或制冷设备的功率，以使系统的温度稳定在设定的目标温度上。

2.PID算法PID控制算法使用控制器计算出的控制信号uc，其计算公式如下所示：uc = Kp * e + Ki * ∫e + Kd * △e/dt其中，uc为控制信号，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分环节的增益系数，e为设定目标温度与反馈温度的差值，∫e为差值的积分值，△e/dt为差值的微分值。

通过调节这三个环节的增益系数，可以实现对温度控制系统的动态响应和稳定性的调节。

3.系统实现系统实现的关键技术包括传感器的选择与接口设计、控制器的算法实现、执行器的选择和驱动电路设计等。

传感器应具有高精度、快速响应和稳定性好的特性，能够实时监测温度值并将监测结果传递给控制器。

控制器应具有高计算性能和稳定性，能够准确计算出控制信号。

执行器应根据控制信号的大小调节加热或制冷设备的功率，以使系统温度稳定在目标温度上。

三、系统优化为进一步提高恒温控制系统的性能，可以通过以下几个方面进行优化。

1.增益系数的选择根据实际系统的特性，通过试验和调整，优化比例、积分和微分环节的增益系数。

比例增益系数的增加可以提高系统的响应速度，但也容易引起系统的振荡；积分增益系数的增加可以减小系统的稳态误差，但也会增加系统的超调量和调节时间；微分增益系数的增加可以改善系统的过渡过程，但也容易引起系统的噪声干扰。

基于PID的温度控制系统设计PID（Proportional-Integral-Derivative）是一种常见的控制算法，被广泛应用于各种工业自动化系统中，其中包括温度控制系统。

本文将基于PID算法设计一个温度控制系统。

1.温度控制系统概述温度控制系统是一种典型的反馈控制系统，用于维持系统的温度在预定范围内。

温度传感器将感测到的温度信号反馈给控制器，控制器根据反馈信号与设定的温度进行比较，并根据PID算法计算出控制信号，通过执行器（例如加热器或冷却器）改变环境温度，以使温度保持在设定值附近。

2.PID控制算法原理2.1 比例控制（Proportional Control）比例控制根据设定值与反馈值之间的偏差大小来调整控制信号。

偏差越大，控制信号的改变越大。

比例控制能够快速减小偏差，但无法消除稳态误差。

2.2 积分控制（Integral Control）积分控制通过累积偏差来调整控制信号。

积分控制可以消除稳态误差，但过大的积分参数会引起控制系统的不稳定。

2.3 微分控制（Derivative Control）微分控制根据偏差的变化率来调整控制信号。

微分控制可以快速响应温度的变化，但不适用于快速变化的温度。

3.PID控制器设计PID控制器的输出可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)为控制器的输出，Kp、Ki、Kd为比例、积分和微分增益，e(t)为温度的偏差，即设定值与反馈值之差，de(t)/dt为温度偏差的变化率。

3.1比例增益的选择比例增益决定了系统对偏差的响应速度。

如果比例增益太大，系统会产生超调现象；如果比例增益太小，系统的响应速度会变慢。

因此，在实际应用中需要通过试验来选择合适的比例增益。

3.2积分时间的选择积分时间决定了系统对稳态误差的补偿能力。

如果积分时间太大，系统对稳态误差的补偿能力会增强，但会导致系统的响应速度变慢，甚至产生振荡现象；如果积分时间太小，系统对稳态误差的补偿能力会减弱。

基于PID的水温控制系统设计摘要本次设计采用proteus仿真软件，以AT89C51单片机做为主控单元，运用PID控制算法，仿真实现了一个恒温控制系统。

设计中使用温度传感器DS18B20采集实时温度，不需要复杂的信号调理电路和A/D转换电路，能直接与单片机完成数据的采集和处理，使用PID算法控制加热炉仿真模型进行温度控制，总体实现了一个恒温控制仿真系统。

系统设计中包含硬件设计和软件设计两部分，硬件设计包含显示模块、按键模块、温度采集模块、温度加热模块。

软件设计的部分，采用分层模块化设计，主要有：键盘扫描、按键处理程序、液晶显示程序、继电器控制程序、温度信号处理程序。

另外以AT89C51 单片机为控制核心，利用PID 控制算法提高了水温的控制精度，使用PID 控制算法实施自动控制系统，具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点。

关键词：proteus仿真，PID，AT89C51，DS18B20温度控制目录1 系统总体设计方案论证 (1)1.1 设计要求 (1)1.2 总体设计方案 (2)2 系统的硬件设计 (3)2.1 系统硬件构成概述 (3)2.2 各单元总体说明 (4)2.3 按键单元 (5)2.4 LCD液晶显示单元 (6)2.5 温度测试单元 (7)2.6 温度控制器件单元 (8)3 恒温控制算法研究（PID）............................................................................. 错误!未定义书签。

3.1 PID控制器的设计 (10)3.2 PID算法的流程实现方法与具体程序 (12)4 系统的软件设计 (17)4.1 统软件设计概述 (17)4.2 系统软件程序流程及程序流程图 (18)4.3 温度数据显示模块分析 (19)4.4 测试分析 (22)5 模拟仿真结果 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。