基于灰色pid的温度控制系统的研究与设计

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1、温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。计算机测控技术的出现，使得传统的电子测量在原理、功能、精度和自动化程度上有了极大地提高。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。本文以电阻炉炉温控制为研究对象设计了以单片机为核心的硬件电路和软件程序。硬件电路选用8951单片机，软件程序采用中断嵌套方式。提出了灰色PID控制算，即以灰色系统理论为基础，对系统不确定部分建立灰色模型

2、，进行灰色预估补偿，使控制系统的灰量得到一定程度的白化，进而提高PID控制质量及其鲁棒性。关键词：灰色PID调节，温度控制，单片机，电阻炉1绪论1.1概述近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、

3、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(ExpertControl)，鲁棒控制（RobustControl），推理控制等。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的

4、质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、灰色PID算法为控制方式而设计的电加热炉温度控制系统。整个系统有四部分组成：8951单片机系统；

5、温度检测；输出控制通道及报警显示系统。工作时，温度由热电偶和电压——电流变换器转换成电流信号，经运放放大至0—5V的电压信号，由A/D转换器转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度偏差，通过灰色PID控制器运算，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间，以达到温度控制的目的。系统的给定值、PID参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度显示在LED上。1.1国内外的现状随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多的要求，因此热处理技术也想着优质、高效的方向发展。电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制

6、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。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术。第一，控温精度高。其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有适合的手段进行调整以达到要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。而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、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。改革开放以来，我国工业有了较大的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，我国的大部分电阻炉控制系统比国外发达国家落后，

7、占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的参数需要人工选择，要配置专门的仪表调试人员，费事，费力且不准确。控制精度不高，操作不方便，数据无法保存。针对于此本文提出了灰色PID调节的方法。1.1系统设计本系统采用的温度测量元件是DS18B20，它是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（按9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可