基于PID算法的锅炉恒温控制系统毕业设计

第1章 绪 论

1.1课题背景

根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃烧锅炉由于污染并效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。因些在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：

(1) 无污染。不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。

(2) 能量转化效率高。加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。

(3) 锅炉本体结构简单，安全性好。不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。

(4) 结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

(5) 启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。由于加热元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。

(6) 可采用计算机监控，完全实现自动化。其温度的控制都能通过微控制芯片完成，使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。

本课题主要研究锅炉温度的过程控制。新型锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。

随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51系列单片机来做控制器。

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CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

本科生毕业论文

题 目 PID温控系统的设计及仿真

学生

指导教师

学 院 信息科学与工程学院

专业班级 -

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- - 可修编- 摘要

温度是工业控制的主要被控参数之一。可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。

要对温度进行控制，有很多方案可选。PID控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。研究分析了PID控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定PK、IK两个参数的模糊自整定PID控制方法。本研究以电烤箱为控制对象，用MATLAB软件对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制的控制性能分别进行了仿真研究。仿真结果表明PID对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。参数模糊自整定PID控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID控制方案。

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。本次设计选用的是MCS-51单片机系列中的AT89C51，其具有结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、高可靠性和高性价比等特点。

模糊PID温度控制毕业设计

第一章绪论

1.1 选题背景及其意义

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要 的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、 压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于 测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越 来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同 系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空 间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方 法。

电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置［1］。具有结构简单、无污染、自动化程 度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积 小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主 要设备。

锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有 非线性。目前国电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这 些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另 外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使

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用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重 要的意义。 1.2 工业控制的发展概况

工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段50年代末起到70年代为第一阶段， 即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理 论应用和发展时期；70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段；90年代至 今为第三阶段，即智能控制理论阶段[2]

第一阶段：初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电 动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。在诸多控制系统中，以单 回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如 达林顿算法、Smith预估器、根轨迹法等。这阶段的