基于STC單片機智能PID模糊自整定溫度調(diào)節(jié)器

孟凡宇，李國洪，孫曉偉

（1.天津理工大學 天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384；2.天津正本電氣股份有限公司，天津 300402）

0 引言

溫度調(diào)節(jié)器是PID參數(shù)模糊自整定和高智能化調(diào)節(jié)控制器。廣泛應用于石油化工、發(fā)電和集中供熱等一切需要對溫度進行PID調(diào)節(jié)、兩位控制和時間控制的場所。現(xiàn)產(chǎn)品已應用于工業(yè)現(xiàn)場，有良好的市場前景。

1 功能介紹

1.1 手動控制

用戶通過控制器鍵盤，改變控制器輸出信號的大小，從而改變控制對象的輸入功率，達到修正被控參數(shù)的目的。一般地說，手動操作只是作為PID控制的初級調(diào)整，以減少PID投入過程的超調(diào)幅度，在測量值與給定值的偏差比較小時切換到PID控制，可以使被控參數(shù)的超調(diào)量減小，如果用手動方式調(diào)整到被控參數(shù)的平衡點，再切換到PID狀態(tài)，可以做到無擾動切換。從PID狀態(tài)可以直接轉(zhuǎn)換到手動控制狀態(tài)，這就是業(yè)內(nèi)人員所說的雙向無擾切換。

1.2 PID調(diào)節(jié)

又稱比例、積分、微分調(diào)節(jié)，可以對溫度進行無偏控制，控制器根據(jù)控制對象特性，在用戶設定參數(shù)的基礎上，再對PID參數(shù)按照模糊算法，進行實時自動調(diào)整，使控制器工作逼近優(yōu)化狀態(tài)，從而有效的縮短了過渡時間，減小了超調(diào)峰值，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。有效地克服了常規(guī)PID控制器的積分飽和現(xiàn)象，在很大的偏差范圍內(nèi)，就可以投入PID自動控制模式?？刂破骺梢园驯豢貐?shù)穩(wěn)定的控制在給定值附近，穩(wěn)態(tài)控制偏差量程精度可達±1%。

1.3 兩位控制

又稱回差控制，當控制器的測量值大于預先給定的上限值時，控制器輸出信號關閉控制對象的輸入功率，當控制器的測量值小于預先給定的下限值時，控制器輸出信號開啟控制對象的輸入功率。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，如果在關閉控制對象輸入功率期間，需要對控制對象進行某種人工操作，例如在軸承加熱過程中，需要更換加熱工件，根據(jù)更換工件操作時間，合理設置控制器的下限值，使換完工件稍后，控制器自動送電，這樣可免于每次重復復位控制器的繁瑣，提高了工作效率。

如果不希望在被控參數(shù)下限處，控制器自動啟動功率輸入，可將被控參數(shù)下限值設定為環(huán)境參數(shù)以下，這樣被控參數(shù)永遠下降不到下限值，控制器不會自動啟動輸入功率。

1.4 時間控制

對于線性定常系統(tǒng)進行斷續(xù)控制時，利用計時間接控制過程參數(shù)，可以省掉傳感器。例如：機械設備的軸和軸承屬于過渡配合，制造廠或檢修單位在安裝軸承時，需要對軸承進行加熱處理，就可以通過對電磁加熱裝置的加電計時，控制軸承的加熱溫度。為了免于在不同環(huán)境溫度情況下，進行摸索溫度和時間的對應關系，在加熱第一個軸承時，建議采用兩位控制，設定好需要的溫度上限值、下限值。

在這種模式下，控制器再給加熱裝置送電的同時開啟計時器，左邊四位數(shù)碼管每一秒鐘加一個數(shù)，當工件溫度達到上限值時，控制器自動關閉加熱電源，并停止計時，左邊四位數(shù)碼管的數(shù)值即是加熱工件所需要的時間，單位為秒。用戶可將該參數(shù)設定為時間控制模式的時間“A”值。當加熱第二個工件時，可以改用時間控制模式，控制器再給加熱器送電的同時，會把設定的“A”時間值顯示在左邊四位數(shù)碼管上，并且減數(shù)進行倒計時，當?shù)箶?shù)值為0時，控制器自動關閉加熱電源，更換完工件需要再加熱，點擊“CON”即可，周而復始重復上述動作。

2 參數(shù)含義

控制器采用8位數(shù)碼管做顯示器，顯示器按照功能分為兩段，左邊4位為第一段，右邊4位為第二段。第一段作為功能參數(shù)顯示段，第二段為過程參數(shù)顯示段，各段左面第一位為功能顯示位，功能位右邊三位為參數(shù)顯示位。

第一段功能位顯示“C”的反像，其右邊3位數(shù)字表示控制模式選擇參數(shù)，有效值0-3，因此只有個位數(shù)有效，“0”表示手動操作控制模式，“1”表示PID控制模式，“2”表示兩位控制模式，“3”表示時間控制模式，可根據(jù)需要設定參數(shù)。

第一段功能位顯示“P”，表示右邊三位參數(shù)是比例增益，該參數(shù)可以人工設定初值，控制器按照模糊控制算法自動進行修正。

第一段功能位顯示“D”，表示右邊三位參數(shù)是微分增益，該參數(shù)可以人工設定初值，控制器按照模糊控制算法自動進行修正。

第一段功能位顯示“L”，表示右邊三位參數(shù)是積分增益，該參數(shù)可以人工設定初值，控制器按照模糊控制算法自動進行修正（積分通用符號應當是“I”，考慮容易與“1”混淆采用“L”代替）。

第一段功能位顯示“C”，表示右邊三位參數(shù)是PID控制的給定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“N”，表示右邊三位參數(shù)表示兩位控制的下限設定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“U”，表示右邊三位參數(shù)表示兩位控制的上限設定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“A”，表示右邊三位參數(shù)表示定時設定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設定該參數(shù)值。

第二段功能位顯示“A”的倒像，表示右邊三位參數(shù)是控制器運行過程中。實時監(jiān)測的過程參數(shù)。

3 硬件電路設計

溫度調(diào)節(jié)器硬件電路主要由系統(tǒng)處理電路與PID控制回路組成。

3.1 系統(tǒng)處理電路

主要將采集到得溫度信號進行處理輸出給發(fā)光二極管進行顯示，同時完成測量值與給定值得比較，將比較后的信號輸出給PID回路，分別調(diào)節(jié)PID回路的比例、積分和微分系數(shù)，完成對被控對象的控制，主芯片采用STC12C5410AD，其內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換功能，可以減少外圍電路，降低了系統(tǒng)的功耗。具體外圍電路如圖1所示。

3.2 PID控制回路

主要將主芯片比較后的結(jié)果進行放大，同時可以通過手動控制方式調(diào)節(jié)相應的電位器，實現(xiàn)對比例、積分、微分系數(shù)的調(diào)節(jié)。具體框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)處理電路框圖

圖2 PID控制回路框圖

4 軟件設計流程

系統(tǒng)軟件設計思路系統(tǒng)上電后，先完成初始化程序，其中包括初始化P口、端口初始化、設置輸出模式。初始化結(jié)束后進入主程序，進行定時器初始化，開啟看門狗程序，溫度譯碼表的編制，A/D轉(zhuǎn)換，平滑濾波，標度變換，十進制數(shù)各位分解，補償后溫度標度反變換等。具體設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程

5 調(diào)節(jié)器的組成與調(diào)試

調(diào)節(jié)器的輸入通道為一路PT100鉑電阻，熱電偶4mA～20mA輸入兩路。輸出通道為脈寬輸出，可驅(qū)動固態(tài)繼電器、調(diào)節(jié)閥、變頻調(diào)速器等一切可接收4mA～20mA標準信號的執(zhí)行機構(gòu)。

一般來說控制器在通電之前需要對參數(shù)進行設定，控制器加電后自動進入等待命令狀態(tài)，如果上次運行前已經(jīng)對控制器參數(shù)進行過設置，并且本次不想更改上次參數(shù)，此時點擊“CON”鍵，控制器將按照上次設定模式立即進入運行狀態(tài)?！癛ST”是復位鍵，控制器具有加電復位功能，剛加電時控制器已經(jīng)自動復位，再點擊“RST”鍵控制器會原地踏步。

控制器的模式設定需要根據(jù)應用對象特性不同進行選擇，具體模式功能請參照功能介紹部分。

6 結(jié)束語

裝置經(jīng)對溫度有嚴格要求的現(xiàn)場測試后，運行效果良好，調(diào)節(jié)動作及時和準確，滯后時間小，即保證了工作人員的人身安全，也保證了設備可靠安全的運行，受到了工程技術人員的親睞，有良好的發(fā)展前景。

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