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基于单片机的PID温度控制[关键词] ： MCU 、DS18B20、PID、 PWM 、IGBT [摘 要] ：温度是工业控制对象的主要被控参数之一，如冶金，机械等。本文主要介绍了基于PID控制理论的单片机温度的控制。控制器件使用单片机，系统使用温度传感器反馈被控温度，通过单片机内PID程序计算出一个控制量，把该值作为一个PWM占空比控制信号的输入来控制IGBT的开关频率，从而控制加热器的电流达到温度的控制。PID（比例积分微分）英文全称为Integration Differentiation。在工程实际中，它是应用最为广泛的调节器，控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为当代工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，在实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。控制系统的原理图如图1所示：图1比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 系统主要组成部分：温度信号采集部分、MCU处理部分、控制信号输出部分、加热器电流控制部分，也就是实际的温度直接控制部分。根据控制系统理论要控制温度就要引入温度信号反馈。得到温度反馈信号，可以使用两种传感器，一种是数字量的传感器，一种是模拟量传感器。这里使用单片机来做为控制核心，如果使用模拟量传感器还要用一个A/D模数转换电路把信号转换成单片机能处理的数字量，如果使用数字量的传感器，MCU可以直接读取。不过有些高级的单片机内部有A/D模数转换，这时用模拟量的传感器也很方便。温度采集单元部分主要的作用就是把被控温度以一定频率存贮在MCU的RAM中（本文以DS18B20为例）。接下来就是PID计算程序了。目前有三种PID控制算法比较简单,分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。在计算机控制中广泛应用的是增量式PID控制算法。这里所谓的增量算法就是相对于标准的算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味减少）控制量。例如对于温度控制就是要增加（或减少）加热比例，根据具体的应用，适当的选择采用哪一种算法，但基本上控制方法原理是一样的，直接计算法得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量。标准的直接计算公式：Pout(t)=Kp·e(t)+Ki·∑e(t)+Kd·(e(t)-e(t-1))。上一次计算的值：Pout(t-1)=Kp·e(t-1)+Ki·∑e(t-1)+Kd·(e(t-1)-e(t-2))。两式相减得到增量法计算分式：Pdlt=Kp·e(t)-e(t-1)+Ki·e(t)+Kd·(e((t)-2·e(t-1)