天津工业大学2010届本科毕业设计论文 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。
从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：
1.3.1定值开关控温法
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。
由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。
1.3.2PID线性控温法
这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。
1.3.3智能温度控制法
为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制
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天津工业大学2010届本科毕业设计论文 相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。
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天津工业大学2010届本科毕业设计论文 第二章 模糊PID控制理论
2.1PID控制器 2.1.1PID控制的发展
PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现金使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断的推出，但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制器仍然采用PID控制器。
PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展[3]。
2.1.2PID控制理论
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)：
e(t)?r(t)?y(t) 式（2-1）
将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制，PID控制系统原理如图2-1所示：
图2-1 PID控制系统原理图
其控制规律为
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天津工业大学2010届本科毕业设计论文 1de(t)u(t)?KP[e(t)??e(t)dt?TD] 式（2-2）
T0dtt或者写成传递函数形式为
G(s)?KP(1?1?TDS) 式（2-3） TIS式2-3中KP：比例系数；KI：积分时间常数；KD：微分时间常数。 PID控制器各校正环节的作用如下：
（1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；
（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。；
（3）微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间[5]。
2.1.3PID控制算法
由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式2-3中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点KT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分做如下的近似变换[2]：
t?KT 式（2-4）
?e(t)?T?e(jT)?T?e(j) 式（2-5）
0j?0j?0tkkde(t)e(KT)?e[(k?1)T]e(k)?e(k?1)?? 式（2-6） dtTT其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第
(k-l)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，…。
将上面的式2-4和式2-5代入式2-6则可以得到离散的PID表达式：
T u(k)?KP{e(k)?TI?e(j)?j?0kTD [e(k)?e(k?1)] 式（2-7）
T如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式2-7称为PID的位置式控制算法。
若在式2-7中，令：
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天津工业大学2010届本科毕业设计论文 KI? KD?则
KPT （称为积分系数） TIKPTD (称为微分系数） Tk u(k)?KIe(k)?KI?e(j)?KD[e(k)?e(k?1)] 式（2-8）
j?0(2-8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(2-8)式作如下的变动：
考虑到第（k-1）次采样时有：
Tu(k?1)?K{e(k?1)? PTI?e(j)?j?0k?1TD[e(k?1)?e(k?2)]} 式（2-9） T使（2-8）两边对应减去（2-9）式得
u(k)?u(k?1)?KP{e(k)?e(k?1)?TTe(k)?D[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]} TIT整理后得
（2-10） u(k)?u(k?1)?a0e(k)?a1e(k?1)?a2e(k?2) 式其中：a0?KP(1?TTD2TT?)；a1?KP(1?D)；a2?KPD TITTT式（2-10）就是PID位置式的递推形式 如果令?u(k)?u(k)?u(k?1)，则：
?u(k)?a0e(k)?a1e(k?1)?a2e(k?2) 式（2-11）式中a0、a1、a2同式（2-10）中一样。
因为在计算机控制中式中a0、a1、a2都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得 e(k)、e(k?1)、e(k?2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(2-11)式通常被称为PID控制的增量式算式[3]。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点：
（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值?e(j)，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制增
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