论文总字数：18933字

摘 要

温度是工业生产与日常生活中一种常见的物理量。随着社会的发展，人们对温控系统也提出了更高的要求。温控系统相较于其它控制系统具有明显的滞后、时变、非线性等特点，基于机理建模的控制方法一般很难取得令人满意的控制效果。相较于机理建模方法，PID算法具有简单、易实现、鲁棒性好等诸多优点。PID算法的核心在于确定受控项增益，经验法尽管可行，但耗时且费力。鉴于经验法的固有缺点，当前许多控制器中都集成了参数自整定功能。

本文设计了以ARM芯片为控制核心的温控系统，该温控系统带有PID参数自整定功能，且所有操作均可通过触摸完成。利用Qt进行人机交互界面的开发。基于继电反馈原理与Ziegler-Nichols参数整定表设计并实现系统的核心控制算法。经过多组对比实验，最终验证了该温度控制方案的可行性与可靠性。

关键词：ARM 温度控制 PID 自整定

Design and implementation of intelligent temperature control module based on ARM

Abstract

Temperature is a common physical quantity in industrial production and daily life. With the continuous improvement of living standards, people have put forward higher requirements for the temperature control system. Compared with other control systems, temperature control systems have obvious lag, time-varying, non-linear characteristics, etc., and the control methods based on mechanism modeling are generally difficult to achieve satisfactory control results. Compared with the mechanism modeling method, the PID algorithm has many advantages such as simplicity, easy implementation, good robustness and so on. The core of the PID algorithm is to determine the gain of the controlled item. Although the empirical method is feasible, it is time-consuming and laborious. Therefore, many parameter self-tuning methods have been proposed and applied.

This paper designs a temperature control system with ARM chip as the control core. The temperature control system has PID parameter auto-tuning function, and all operations can be completed by touch. Use Qt to develop human machine interface. Based on the principle of relay feedback and Ziegler-Nichols parameter tuning table, the core control algorithm of the system is designed and implemented. After multiple sets of comparative experiments, the feasibility and reliability of the temperature control scheme were finally verified.

Key Words: ARM; Temperature control; PID; Auto-tuning

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 温控系统国内外研究现状 1

1.2.1 开关式温度控制 1

1.2.2 PID温度控制 1

1.2.3 智能温度控制 2

1.2.4 当前研究实例 2

1.3 本文设计目标与实现方法 2

第二章 温控系统介绍与硬件方案设计 4

2.1温控系统介绍 4

2.1.1 温度控制原理 4

2.1.2 典型温控系统配置 4

2.1.3 被控对象特性 5

2.1.4 温度控制效果 5

2.2 硬件方案设计 6

2.2.1硬件总体设计方案 6

2.2.2 Exynos4412微处理器 6

2.2.3 DS18B20温度传感器 7

2.2.4 驱动电路 8

2.3 本章小结 8

第三章 基于继电反馈的PID自整定算法 10

3.1 PID控制器 10

3.2 基于继电反馈的PID参数自整定 11

3.2.1 继电反馈自整定算法的基本过程 11

3.2.2 继电反馈参数自整定的内部原理 11

3.3 仿真分析 13

3.4 本章小结 14

第四章 温控系统的软件设计与实现 15

4.1 软件开发环境介绍 15

4.2 程序整体架构 17

4.3 驱动模块实现 18

4.4 算法模块设计 18

4.4.1 振荡测试 19

4.4.2 分析数据 21

4.5 人机界面设计 23

4.5.1 自整定面板设计 23

4.5.2 自动运行面板设计 24

4.6 系统功能验证与分析 24

4.6.1 位式控制与自整定PID控制 26

4.6.2 经验PID与自整定PID 27

4.6.3 不同温度设定值的响应性能 29

4.7 使用说明 30

4.7.1 安装与启动 30

4.7.2参数整定面板说明 30

4.7.3 自动运行面板说明 31

4.8 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 系统评价 33

5.3 展望 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

温度的控制与我们每个人都密不可分。温度控制品质的高低，直接关系到人民的生活质量与工业生产的产品质量。温度控制的目标常常是带有明显的快速时变、较强非线性、复杂干扰等特性的对象^[4]，想要采用经典的数学计算与建模手段，为其建立一个精确的传递函数分析模型，一般是非常困难的。PID算法，是工业上常用的一种经典控制算法，因其可实现性强、抗干扰性好等特点，在人类社会的各个领域得到了非常广泛的运用，并发挥着极其重要的作用^[4]。这么多年以来，经验法在许多工程领域一直占据着主导地位，但是面对越来越复杂而多样的物理系统，过去普遍采用的人工参数整定方法，愈发显得特别耗费时间，而且浪费人力物力，获得的控制品质还不一定能满足控制需求^[3]。在电子信息技术与控制理论的双重推动下，一大批控制器件、控制方法诞生并得到广泛应用。从经典的开关式温度控制到PID控制，从模拟式控制到数字式控制，从传统PID控制到智能算法控制，从人工调节参数到参数自整定自适应，温度控算法不断得到改进。

请支付后下载全文，论文总字数：18933字