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基于单片机的熏蒸温度控制系统的设计

作者：ZHANG Hai-feng, ZHAO Ai-ling, HOU Jun

摘要：为了减轻诸如温度非线性、严重滞后和巨大波动等问题，我们设计了一个基于AT89C52单片机微控制器的熏蒸温度控制系统。是改进PID算法和脉宽调制(PMW)技术的结合，结果是控制了整个过程熏蒸温度，减少过冲，缩短滞后时间。我们的测试结果表明设计能提高温度控制能力和动态性能。熏蒸温度基于此设计的控制系统具有良好的稳定性和可靠性，具有友好的用户界面、操作方便。设计中使用的电路和程序具有良好的通用性和可移植性。

简介：熏蒸疗法使用液体中药的汽化来产生蒸汽直接针对病人的身体部位。熏蒸治疗结合了中国传统药物有热疗、蒸汽疗法和电泳。这样的治疗通常表现得很快治疗效果无副作用，对病人没有疼痛。因此，它有很高的推广医疗保健领域的价值。温度控制对确保有效性至关重要熏蒸处理。在熏蒸过程中，传统的人工温度控制方法可以结果产生了大量的温度波动。因此治疗的效果高度依赖在操作员的经验中，缺乏经验常常使熏蒸疗法效率降低。此外，熏蒸控制参数不能根据具体情况实时修改个别病人的条件。为了解决上述问题，并确保熏蒸治疗的有效性，我们在论文中提出了一种基于微控制器的控制系统的设计具有高精度、小尺寸、高可靠性和良好的应用前景。

系统概况：图1显示了设计控制系统的图。它包括信号采集等单位，中央处理，信息显示(LED,LCD)，键盘控制和控制对象(加热器和风机)。操作员通过键盘设置温度和时间的值微控制器AT89C52接收数据，使用脉冲宽度执行控制算法计算调制(PWM)技术，固态继电器控制炉加热功率和冷却风扇(辅助散热)。当温度高于设定值时，暖气炉停止，冷却风扇开始加速散热。当温度降到设定值以下时，加热炉启动，冷却风扇停止。系统状态一直被输入到输出中LED和LCD显示。

控制算法：熏蒸蒸汽温度控制是一个纯粹的延迟系统，是一个相对复杂的控制对象。传统的PID控制不是很有效。进一步改善其温度控制性能，这个设计使用了一个改进的PID控制策略。

3-1.改进的PID算法

在改进的PID控制算法中，微分处理只适用于输出数据，但不适用输入数据。差异输出信号包括目标参数和它们的变化速率，例如然后将信号输入到PI控制器中，用于覆盖预防。该算法补偿系统的滞后效应，提高了整个熏蒸过程的性能[1 - 3]。是改进的PID控制系统具有以下的传输功能:

在G c(s)表示成比例积分控制器时，T(s 1)是先行微分元素，G(s)表示控制对象的传递函数，不排除时滞，e -tau;s包含时间滞后控制对象的传递函数。

3.2。对象控制模型和PID参数初始化

基于一系列开环实验，建立了目标控制模型系统默认的初始温度是室温，即20。基于对多次扫描试验的数据分析，我们选择30年代作为采样间隔。稳定的实验然后得到数据，相应的温度变化曲线如图2所示

采用通用工程方法提取PID控制器参数

步骤:

bull;找到纯延迟时间tau;的控制对象,和时间常数t使用关系模型参数和特征之间的响应曲线我们可以得到:T = 240s,tau;=120s，系统增益K = 0.5。温度控制系统的参考模型是:

bull;使用的值tau;、T和控制程度,K_i,T_i,T _d的理论参考价值推导出自调节对象的计算方程。

bull;以上方法所建立的参数只能作为初始参考值。使用PID控制操作公式和色散过程，PID算法表达为[4 - 5]:

k是抽样数，k = 0 1 2 3，hellip;u(k)是计算机的输出值

kth抽样，e(k)是第k次抽样的输入偏差值，e(k - 1)表示输入偏差

抽样数(k - 1)[6]的值。

对于温度控制系统，一般采样间隔在10到20秒之间选择10作为抽样周期。为了获得更好的控制效果，闭环微调是必要的。基于特征闭环响应数据，控制参数反复改进以达到最佳的温度控制性能。当设定温度40℃控制参数被计算为:K _i = 4.5,T _i = 66.7,T _d = 10。

4.算法执行

完整的系统程序由主程序、数据采集、控制和计算组成输入/输出/显示模块。主程序主要用于系统初始化，数据处理和子程序执行。控制/计算模块执行PID操作，调整PWM工作周期，控制熏蒸过程的加热和冷却功能。是系统软件的整体框图如图3所示。系统软件的工作流程:当系统启动或重置时，所有模块都会进行初始化过程。这包括初始化堆栈指针、端口设置、PWM任务循环设置、改进的PID操作等。然后，软件和硬件模块进行自我诊断，在此之后，计时器和外部中断被激活，系统进入循环模式。当中断发生时，系统首先寻找中断源。一旦对中断源进行标识，调用相应的应用程序模块来进行适当的操作反应。在执行相应的过程后，控制系统总是返回到主程序程序并启动下一个循环。

在系统程序设计过程中，建立连接是至关重要的控制算法和脉宽调制技术。从程序流程中可以看出控制算法输出直接影响PWM输出。的最大价值PID操作对应于PWM任务循环的最大输出，而最小值PID操作对应于PWM任务周期的最小输出。的控制系统PWM周期设置为5s，改进的PID操作结果的最大值为100，并且最小值为0。PWM任务周期的最大值是100%，最小是0%。有一个以下关系:

P =DC=（A-B）C

其中P是系统PWM值。D是算法输出振幅。A和B分别对改进的PID算法的结果进行了描述。C是一个系数

5.测试结果和数据分析

改进的PID控制和常规PID控制在熏蒸床上进行了比较。我们使用相同的初始条件来监视性能。的初始温度20℃将所需的蒸汽温度设为40。℃总测量时间40分钟。图4显示了温度曲线。

在图4中，曲线系列1(带虚线)是常规PID控制的动态响应，曲线系列2(用实心线)对改进的PID控制进行动态响应。可以看出改进的PID控制使初始加热时间显著缩短，在750后温度已经稳定。随着时间的推移，温度振荡频率减小，振幅也减小也会减少。因此，不同的趋势被有效地抑制了，最终的温度也会上升稳定。改进的PID驱动温度偏离到最小的方向和系统温度稳定性好于1，这是一种不错的性能。℃改进的PID控制被证明比传统的PID控制更早到达稳定状态。

6.结论

为了减轻复杂的熏蒸蒸汽温度控制问题，如温度等线性和严重滞后效应，设计了熏蒸蒸汽温度控制系统这结合了改进的PID算法和PWM技术。测试结果表明该设计缩短了温度控制的滞后时间，也减少了过量的量。因此它可以显著提高熏蒸处理的效率。这种新设计已被证明有更好的效果温度控制性能比传统的PID温度控制方法。熏蒸的基于此设计的温度控制系统具有良好的稳定性和可靠性，并符合要求设计要求。设计中使用的电路和程序具有良好的通用性和可移植性，在医疗保健领域具有重要的应用潜力和推广价值。

参考文献

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