但在过程的启动、结束或大幅度增减的设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构困难最大的动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。其具体实现如下：
①根据实际情况，人为设定一阀值q>0。
②当|e(k)|>q时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。
③当|e(k)|<=q时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用PID控制，可保证系统控制精度。
（2）遇限削弱积分PID控制算法
积分分离PID控制算法在开始时不积分，而遇限削弱积分PID控制算法则正好与之相反，一开始就积分，进入限制范围后即停止积分。遇限削弱积分PID控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。因而，在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否已超出限制值。若u(k-1)>umax,则只累加负偏差；若u(k-1) （3）不完全微分PID控制算法 微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但对于干扰特别敏感。在误差扰动突变时微分项有不足之处。即微分项仅在第一个周期有输出，且幅值为KD=KP×TD/T,以后均为零。该输出的特点为： ①微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。 ②幅值一般比较大，容易造成计算机中数据溢出。 克服上述缺点的方法之一是，在PID算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器），既可构成不完全微分PID控制。可以将低通滤波器直接加在微分环节上，也可将低通滤波器加在整个PID控制器之后。 引入不完全微分后，微分输出在第一个采用周期内的脉冲高度下降，之后又逐渐衰减。所以不完全微分具有较理想的控制特性。尽管不完全微分PID控制算法比普通PID控制算法要复杂些，但由于其良好的控制特性，近些年来越来越得到广泛的应用。 （4）微分先行PID控制算法 微分先行PID控制的特点是只对输出量c(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分。这样在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常总是比较缓和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值r(t)频繁升降的场合，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性。 （5）带死区的PID控制算法 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制。设死区为e0，当|e(k)|≤e0时，令e'(k)=0;当|e(k)|>e0时，令e'(k)=e(k)。式中，死区是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。此控制系统实际上是一个非线性系统。 2.4.4 PID参数整定 在数字控制系统中，PID参数是影响调节品质的重要参数，闭环系统正式使用前，必须对PID参数进行整定，整定点通常设定在目标值。 整定PID参数的原则: （1）要使控制系统的过程过渡时间尽量短 （2）最大偏差和超调量要小 （3）扰动作用后减幅振荡的次数尽量少 （4）恒温曲线要求尽可能平直;静差要小 整定PID参数的方法主要有： （1）理论整定法：所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性和控制准确度的要求从理论上得出各参数的整定数据。从PID的理论概念分析可知: ①要使过渡过程尽可能短,应选较小的P,较短的Ti和适量的Td ②要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较大的P,较长的Ti和尽可能短Td 整定时既要满足前者，又不可忽视后者，从优选法的观点出发考虑到PID参数的折中选取，故将P和I整定到中间值,而D参数的整定应该根据炉体的具体使用情况而定。若在系统的调节过程中不会有过大的阶跃扰动出现,D应尽可能小,甚至不用 （2）经验法：实际上是一种试凑法。PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是经验法的核心,整定参数预先放置的位置要根据对象特性及参考仪表的量程而定。对于 ?为20%～70%或更小;Ti为(3～一般热处理炉的温度调节系统，可按下列参考数据进行：10)min；Td为（0.5～3）min。试凑程序可先用P,再加I,最后再D。炉温控制的准确度，不但取决于仪表本身的准确度和性能，也取决于它所控制对象的特性，要使仪表使用合理，并达到最佳控制，必须使仪表和炉体很好地配合，正确地调整。 2.5 可行性分析 可行性分析与总体设计对于实现一个设计方案来说是必不可少的，而在对一个方案进行总体设计之前必须对其进行可行性分析。盲目行动很有可能导致失败，从而造成不必要的经济损失和资源的浪费。而进行可行性分析与明确所要完成的任务的目标和所选的器件是分不开的。本次远程温度控制的设计要达到如下目标： （1）主系统采用键盘输入方式设定温度值并显示； （2）利用无线电进行通信； （3）一对多点通信，对各通信点进行编址； （4）对温度进行控制； （5）温度信号采集。 综合考虑上面描述的功能并结合自己的具体情况，选用如下的器件来实现： ① 选用常用的89S51单片机作为控制器； ② 选用带地址编码的编码芯片PT2262以及与之配套的解码芯片PT2272。 ③ 选用发射模块F05T和接收模块J04T进行无线电通信。 ④ 选用数字温度传感器DS18B20进行温度采集。 3 硬件设计 3.1 温度采集电路设计 DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 DS18B20内部结构如图3.1所示。 3.1.1 DS18B20的内部结构 图3.1 DS18B20的内部结构 从图中可以看出，DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。 ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂 接多个DS18B20的目的。 3.2 DS18B20的管脚排列 DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。例如＋125℃的数字输出为07D0H，＋25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH，－55℃的数字输出为FC90H。 23 S 温度值高字节 高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下： 0 MSBLSB R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。 高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。 3.1.2 DS18B20的工作时序 DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图3.3（a）（b）（c）所示。 R1 R0 1 1 1 1 1 22 S 21 S 20 S 2-1 S 2-2 22 2-3 25 2-4 24 温度值低字节 MSBLSB
