基于PID算法的锅炉恒温控制系统毕业设计.doc

1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 设计 (论文 )题目： 基于 PID算法的锅炉恒温控制系统 学生姓名： 徐 京 指导教师： 赵国树 二级学院： 智能科学与控制工程学院 专 业： 自动化 班 级： 11 自动化 学 号： 1104105020 提交日期： 2015年 4 月 26 日 答辩日期： 2015 年 5 月 9 日 金陵科技学院学士学位论文 目录 I 目 录 摘 要 .III Abstract . IV 1 绪 论 . 1 1.1 本课题研究背景和意义 . 1 1.2 研究内容 . 1 1.3 国内外现状 . 1 2 总体方案设计 . 2 2.1 方案论证 . 2 2.1.1 温度感

2、应器的选用 . 2 2.1.2 PID 选用环节 . 3 2.1.3 电源环节 . 3 2.2 系统组成总结构图 . 3 3 硬件电路设计 . 5 3.1 温度检测电路 . 5 3.2 单片机控制电路 . 7 3.3 A/D 转换模块 . 9 3.4 功率模块电路 .10 3.5 按键处理 . 11 3.6 显示模块电路 . 11 4 PID 算法控制设计 .13 4.1 PID 算法控制简介 .13 4.2 PID 的基本原理和参数整定 .13 5 软件部分设计 .20 5.1 系统流程图 .20 5.2 子程序流程图 .21 6 调试与结论 .29 参考文献 .31 金陵科技学院学士学位论

3、文 目录 II 附 录 .32 附录一：总电路图 .32 附录二： 程序 变量定义 .33 附录三：实物图 .35 致 谢 .36 金陵科技学院学士学位论文 摘 要 III 基于 PID 算法的锅炉恒温控制系统 摘 要 随着科技的发展，温度恒温的控制已经在冶金 、 生产 、 化工等行业已被广泛应用，在人类的生活和工业生产过程处处可以看到温度控制，温度控制中温度的恒温控制显得尤为重要。所以在现代越来越多的人开始针对温度的控制进行着 深入研究。 在本次设计中，我采用了 STC12C5A60S2 的单片机做为整个系统的控制核心和数据的处理单元，采用型号为 PT100 的温度传感器实时的采集温度，用双

4、向可控硅作为输出功率的控制元件从而来实现对锅炉的自动温度控制。本系统通过 PID 算法控制，将温度控制在0 到 100 度之间，同时能够实时的显示温度且能够将温度保持在一个给定值，最大误差不超过 1 摄氏度。 本设计的工作原理是当达到一个采样周期 T 时，通过温度改变传感器 PT100 的阻值，进而改变输出的电流，将这个模拟信号经过运算放大后再交给 A/D 转换处理后传给单片机 ，单片机能够将实时的温度跟设置的参数通过 LCD 显示屏显示出来，同时通过键盘给定的温度进行比较，进行 PID 运算。通过时间比例输出结果来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温控制的效果。 关键词： 锅炉；温度；

5、单片机； PID 控制 金陵科技学院学士学位论文 Abstract IV The constant temperature control system of boiler based on PID algorithm Abstract Along with the development of science and technology, constant temperature control has been in metallurgy, manufacturing, chemical and other industries. Temperature control can be s

6、een everywhere in the process of human life and industrial production, constant temperature control is particularly important in the temperature control. So in modern, more and more people begin to research with temperature control in deeply. In this design, I have adopted STC12C5A60S2 microcontroll

7、er as the control core of the whole system and data processing unit, using the model of PT100 temperature sensors to collect real-time temperature and bidirectional thyristor to control output power control, which realizes the automatic temperature control of the boiler. This system is controlled by

8、 PID algorithm, to control the temperature between 0 and 100 degrees, at the same time which can be real-time display the temperature and can keep the temperature in a given value, the maximum error is less than one degree Celsius. Working principle of this design is that when reach A sampling perio

9、d T, through the resistance of sensor PT100 temperatures change, in turn, to change the output current, the current signal hands down the A/D conversion process to the MCU after operation amplifier, MCU can displayed the real-time temperature and setting parameters by LCD display, at the same time,

10、comparing with a temperature which is given through the keyboard can start PID arithmetic. Through the result of the time scale output to control the bidirectional thyristors conduction or closed, so as to achieve the effect of the water temperature control. Key words: The boiler; The temperature; S

11、ingle chip microcomputer ; PID control 金陵科技学院学士学位 第 1 章 绪 论 1 1 绪 论 1.1 本课题研究背景和意义 近年来，温度控制系统成为比较常见的控制系统。温度无论是在工业生产过程还是人类的生活中都是一个重要的参数。因此，一批又一批的温度控制器被人们生产出来，被应用在冶金、化工、医疗 等众多领域，与人们的生活息息相关。 举个简单的例子，浴室是人类生活中常见的一个场所，传统的浴室采用的是燃煤燃油的方式给水加温并控制温度，不过随着人类生活水平的提高，传统的加热方式已经不能够适应时代的潮流 ，新型的温度控制器也不断的被人们开发出来。取代传统的温度

12、控制器。而单片机具有体积小，记忆力强，内存大，使用寿命长等优点。人们将温度控制跟单片机相结合做出各种适合各种场合的温度控制器。 1.2 研究内容 本文以锅炉水温为控制对象（锅炉使用水壶来代替），以单片机为控制核心，控制算法采用 PID 控制，实现的效果能够将 锅炉水温控制在一个范围内，同时能够将水温控制在一个额定值，最大误差不超过 1 摄氏度。 而本课题通过温度改变传感器 PT100 的阻值进而改变输出电流，将这个电流信号经过运算放大后再交给 A/D 转换处理后传给单片机，单片机能够将实时的温度和给定的温度通过 LCD 显示屏显示出来，同时通过将反馈信号与设定的值进行比较所得的偏差，将这个差值

13、进行 PID 控制算法处理后所得到的信号作为功率电路的输入值，根据 PID 控制算法处理后得到的值，通过时间比例输出来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温的控制效果。而通过这一方式恰恰能够改 善传统浴室不能够准确控制水的温度的这一缺点。 1.3 国内外现状 目前，国外的温度控制技术已经处于集成化，智能化，使用方便的阶段，而国内许多的温度控制器还是处于体积庞大，温度控制准确性不高的阶段，总体的发展的水平不高。在国外，许多的温度控制器采用的是模糊 PID 控制，而国内更多的采用的是传统的 PID控制，或是采用的是分段 PID 控制，与国外相比，国内在温度控制的发展上还要很多的路要走。金陵科技

14、学院 学士学位论文 第 2 章 总体方案设计 2 2 总体方案设计 2.1 方案论证 2.1.1 温度感应器的选用 （ 1）采用热敏电阻：热敏电阻具有工作范围广，灵敏度高，体积 小等特点，但是热敏电阻在工作的时候会长期的处于一个不动的状态， 其实物图如图 2.1 所示。 本次的课题是需要能够实时的检测水的温度，在 80 度左右的时候温度的跳动比较小，因此热敏电阻可能会处于不动的状态，不能够实时的检测水的温度。而且热敏电阻工作处于一个线性 的 状态，在本次的实验的过程中温度常常会处于一个非线性的状态，所以 热敏电阻 图 2.1 热敏电阻 不适合本次的课题。 （ 2）采用 AD590： AD590

15、 具有低成本、精确度高、测温误差小、体积小、微 功耗等优点可用于温度的补偿跟校正。 其实物图如图 2.2 所示。由于其能够提高一个高的阻抗的电流，所以其检测的距离使用范围也特别长。虽然它的工作的温度范围 -55 +150 但是在但使用 AD590 需要配合高精度的 ADC 配合使用才能得到数据，所以在使 用 AD590 时电路比较复杂 ， 成本高 ， 不适合 本次的课题。 图 2.2 AD590 （ 3） 采用 PT100： PT100 具有体积小，内部无空气气隙，热惯性上，测量滞后小，应用范围广等特点。其实物图如图 2.3 所示。 PT100 的阻值能够随着温度的提升能够匀速的上涨对于本次的

16、设计测量的线性输出适合单片机的计算，所以 PT100 比较适合本次的设计。 图 2.3 PT100 金陵科技学院 学士学位论文 第 2 章 总体方案设计 3 （ 4）采用 DS18B20:DS18B20 具有在使用时不需要外接原件，单线的接 口的方式等特点，其实物图如图 2.4 所示。 但是其控制方法比较复杂，所以需要大量的控制指令，而且其检测的范围小所以不太适合本次的课题。 图 2.4 DS18B20 2.1.2 控制算法选择 （ 1）采用传统 PID：传统 PID 具有 结构简单，实现相对容易 ，使用方便的特点 ， 但是其在使用过程中 有超调和温度上升不够快 ，在此过程中产生的误差过大，所

17、以已经不能够满足一般的需求，不适合本次的课题 。 （ 2）采用分段 PID：分段 PID 是在传统 PID 的基础上 解决了 积分 过 饱和 的 问题 和 系统 在运行的过程中由于一些问题温度 突然 间 急 剧升 高不能够有效控制温度 的问题。 同时分段 PID，顾名思义就是能够够 按每部分加热 的不同要求进行 灵活 的 调整 从而 达到较好的调温效果 ，所以比较的适合本次的课题。 （ 3）采用模糊控制： 在分段 PID 的基础上，人们又推出了模糊控制股的理论，但是使用 模糊控制需要大量的实验数据作为依据， 难度较大实现困难， 相对比较， 在本次课题中 还是采用分段 PID 实现的快 。 2.

18、1.3 电源环节 （ 1）采用直流升压电路：直流升压电路结构简单， 不过其 成本低但其转化率低，输出功率小， 所以 这种电路适用于万用表中。 （ 2）采用直流降压电路：相比较与直流 升压电路，直流降压电路能够将电压降到 36V人体安全电压下，且在本次的设计过程中能够与锅炉共用一个电源，所以本次的设计采用直流降压电路。 2.2 系统组成总结构图 系统组成总结构图如图 2.5 所示 。 金陵科技学院 学士学位论文 第 2 章 总体方案设计 4 单 片 机S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2P T 1 0 0 实 时 温度 采 样键 盘 输 入 额 定温 度L C D 显 示 实 时 温

19、度电 源 控 制 输 出 功 率锅 炉 加 热图 2.5 系统总结构图 本设计由检测模块、信号转换模块、信号处理模块、负载驱动模块、负载模块、监控模块组成，其中检测模块是一个型号为 PT100 的温度传感器，通过改变温度进而改变传感器 PT100 的阻值进输出一个电流信号，将这个模拟的信号经过运算放大后再交给 A/D 转换处理后生成一个数字信号传给单片机 ， 单片机能够将实时的温度跟设置的参数通过 LCD显示屏显示出来，同时通过键盘给定的温度进行比较，进行 PID 运算。通过时间比例输出来控制双向可控硅的导通与关闭，从而达到对水温的控制。金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 硬件电路设计 5

20、3 硬件电路设计 3.1 温度检测电路 本次设计的温度检测模块是采用 PT1000 传感器检测温度，将所测得的恒源流经过运算放大器 LM324 放大后，此时所放大的信号经过一个稳压电路，本次设计中采用可控精密稳压源（ TL431）产生一个稳定的电压作为输入，相当于起到一个稳压的效果，这样就能保证输出 一个稳定的电压，同时能够做到将电流的误差保持在毫安级的范围内，从而提高了精度，在电路中我们又增加了几个电压跟随器还有几个兆欧级的电阻，这样我们就能够保证设计的恒流源的精度可以达到微安级的范围内，在最大限度中减小误差。总设计图如图 3.1 所示。 本电路中通过一个可控精密稳压源将 5V 的电压生成 2.5V 的稳定电压，经过 R5， R6，R8 这些电阻值较大的电阻后能形成一个较小的电流，大约在毫安级的范围内，通过加入C3， C4， C7 三个电容将此时的电流信号进行滤波，得出一个稳定的电流信号传入到放大器中，将这个得到的电流信号进 行放大最后输出。 图 3.1 温度检测信号处理电路 其中 PT100 温度传感器 ，它的 电阻 阻值 能够 随着温度的变化而改变 ，大约是一个线性的关系 。 PT100 中的 100 表示 当 它在 0 摄氏度 时 其 阻值 即 为 100 欧姆，。 而本次课题的温度区间在 0 100 ,其线性结构图如图 3.2 所示。