作者:
贺啟峰
关键词:
水浴控温 ； PID算法 ； 模糊控制 ； 模糊PID控制 ； DS18B20
摘要:
在化工业、医疗单位、大专院校、科研部门及工矿企业等机构的实验室里,经常需要对各种试剂进行蒸馏、干燥、浓缩及恒温加热处理,所以水浴恒温控制器得到了广泛的应用。目前水浴控温采用的传统控制方法,主要存在以下两种缺陷：一是控制精度低,往往不能满足高精度检测的要求；二是工作效率低,由于达到设定温度并且进入稳定状态所需的时间长,造成资源和时间的浪费。 针对以上问题,本文提出了一种模糊自适应PID控制方法。传统PID算法具有操作简单、可靠性高及鲁棒性好等特点,然而水浴控制系统的时变性、非线性和难以建立数学模型的特点决定了用常规PID控制器通常不能达到理想的控制效果。因此,这里采用了模糊PID算法对系统进行控制,该方法即具有了模糊控制器不用建立数学模型、鲁棒性好、较好的动态响应品质及较强的适应性等优点,又具有PID控制器良好的动态跟踪品质和稳态精度高等特点,从而有效地减缓了水浴控制器的波动,提高了水浴控温系统的性能。 本系统以单片机STC89C51为核心,以单总线串行数字温度传感器DS18B20为检测设备,用液晶LCD1602作为实验显示设备,用固体继电器对加热设备电炉进行控制。因此,从实验硬件设计上来说,整个系统主要分成四个模块：键盘输入模块、液晶显示模块、温度监控模块和加热模块。通过键盘输入模块输入需要加热到的温度,并通过液晶显示模块显示出来,同时MCU根据温度监控模块实时了解水温,也通过液晶显示模块显示出来,并且当输入的温度高于水温时,则MCU控制加热模块对水加热。 实验中计划用模糊PID控制来进行水浴控温,然而考虑到现场的实际情况和模糊PID控制的复杂性,当设定温度与实际温度偏差很大时,实验中直接用PID控制,此时偏差变小,当偏差减少到一定程度时,再加入模糊控制作用,即用模糊PID控制,也就是说把模糊控制应用到微观调节上。如此可以在不影响水浴控温系统精度的前提下,提高系统工作效率。实验中采用模糊推理的方法对PID控制三个参数进行调整,实现其参数Kp、Kj和Kd的在线自整定,然后根据改进后的参数进行PID控制得出控制量,用PWM方法对电炉功率进行控制。 最终水浴恒温控制器实现了恒温范围在室温至100℃的水浴恒温控制,可调节需要加热到的温度,并通过液晶显示出来。同时用模糊PID控制最终实现了系统工作稳定时实际温度与设定值的误差不超过0.5℃。
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