利用分段PID算法研制小型溫控腔體

朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236041

利用分段PID算法研制小型溫控腔體

朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236041

文章介紹了利用分段PID算法研制的小型溫控腔體，通過實(shí)測(cè)控制精度達(dá)到±0.2℃，溫度的上沖不超過1℃，確保腔體內(nèi)放置的激光頭功率穩(wěn)定。

PID；腔體；激光

溫度控制廣泛應(yīng)用到激光器[1]、電爐[2]、熱處理和偏光顯微鏡熱臺(tái)等方面，其中多數(shù)控制都是采用PID方法，并在實(shí)踐中取得了較好的效果[1]。設(shè)計(jì)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往需要小型半導(dǎo)體激光頭發(fā)射功率相對(duì)穩(wěn)定。由于實(shí)驗(yàn)室溫度的變化會(huì)影響激光頭發(fā)射的功率進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)效果，為此開發(fā)了一個(gè)溫控小腔體來實(shí)現(xiàn)激光頭的工作溫度控制在一個(gè)相對(duì)恒定的區(qū)間。

1 PID控制算法簡(jiǎn)介

溫度控制領(lǐng)域在近幾十年來提出了很多的方案，其中PID控制算法具有實(shí)現(xiàn)易、控制效果佳和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用[3]。加之溫度控制中被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)由于外界的變化和測(cè)溫點(diǎn)的選取不同難以掌握并獲得精確的數(shù)學(xué)模型，最適用采用PID算法。

PID控制表現(xiàn)為通過測(cè)量系統(tǒng)的偏差e(t)和偏差的變化de(t)和累計(jì)來調(diào)整輸出u(t)，其中kp,kd,ki分別為比例因子、微分因子和積分因子。通過合理的選擇合理的因子就能獲得較好的控制效果。

2 溫控腔體的硬件實(shí)現(xiàn)

小型溫控腔體硬件設(shè)置如圖1所示。系統(tǒng)分為加熱和控制兩個(gè)部分。其中控制部分采用5V供電，加熱部分采用24V供電，保障學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的安全。控制核心芯片采用基于ARM? Cortex?-M4內(nèi)核Freescale K60處理器，控制溫度為略高于當(dāng)日最高室溫，加熱采用加熱片對(duì)稱均勻加熱。溫度傳感器PT1000通過電橋形成電壓信號(hào)，經(jīng)ADS1112采集后通過I2C接口發(fā)送給主控芯片。主控芯片除了驅(qū)動(dòng)串口屏顯示當(dāng)前溫度和最近30次控制的溫度變化外，還通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行記錄。為了方便對(duì)溫度和控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，該方案還設(shè)計(jì)了按鍵。

3 軟件實(shí)現(xiàn)和結(jié)果分析

考慮到室溫在一天中的變化，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘預(yù)測(cè)當(dāng)天最高溫度，并在此基礎(chǔ)上提高5℃為系統(tǒng)當(dāng)天工作的設(shè)定溫度。軟件控制的目的一是要能快速的達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度；二是不能有較大的上沖；三是溫度的精度要在正負(fù)0.2℃以內(nèi)。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)。我們采用三段PID加一段全速加熱的方法來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制。如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)溫度和設(shè)定的溫度差值較大時(shí)，系統(tǒng)采用全功率加熱；落入不同的溫差范圍時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)的P、I和D保證溫度控制的高效和穩(wěn)定。特別是為了防止上沖過高，除調(diào)整PID參數(shù)還對(duì)積分結(jié)果進(jìn)行兩個(gè)方面限制。一是加溫進(jìn)入到PID控制區(qū)域內(nèi)才能開始積分，二是防止前期積分值較高對(duì)積分的總量進(jìn)行限制。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)獲得了圖3的腔體溫度變化圖，可以看出溫度的上沖不超過1℃，控制精度達(dá)到了±0.2℃以內(nèi)。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作時(shí)間在20min以內(nèi)，總體指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)論

通過采用分段PID算法和對(duì)積分的限制實(shí)現(xiàn)了對(duì)小腔體溫度控制的目標(biāo)，該方案能很好的應(yīng)用到需要激光頭功率穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)中，取得了一定的效果。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0159-01

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