基于IMC-PID的灼熱絲溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙明，任曉紅，李超

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

基于IMC-PID的灼熱絲溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙明，任曉紅，李超

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

針對灼熱絲試驗(yàn)裝置的溫度控制問題，采用IMC-PID控制方法對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析和軟硬件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度控制系統(tǒng)的升溫速度較快，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，且具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

灼熱絲；溫度控制；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；IMC-PID

0 引言

灼熱絲試驗(yàn)裝置參照國標(biāo)GB/T5169.10-2006、GB/T5169.11-2006、GB/T5169.12-2013 和相關(guān)智能電能表標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，供電工電子產(chǎn)品進(jìn)行著火危險(xiǎn)試驗(yàn)和阻燃性試驗(yàn)使用[1]。本裝置類比熱源在短時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際發(fā)生的效應(yīng)來進(jìn)行試驗(yàn)。

灼熱絲試驗(yàn)的步驟是：首先，將灼熱絲加熱到規(guī)定的溫度，其誤差不超過5K，恒溫時(shí)間不少于60s；其次，以規(guī)定的壓力灼燙被測樣品30s；最后，記錄下被測樣品和鋪底物的燃燒情況[2]。

溫度控制系統(tǒng)一般采用常規(guī)的PID控制方法，此方法存在一定缺陷[3]：被控量在時(shí)滯的作用下不能實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)所受的擾動(dòng)，參數(shù)整定困難；系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長，超調(diào)明顯，閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位裕度偏低，控制性能較差。為了改善常規(guī)PID控制方法存在的問題，筆者采用基于內(nèi)?？刂频腎MC-PID控制方法，設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)，并通過simulink對其進(jìn)行了仿真與分析。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠快速建立穩(wěn)態(tài)、超調(diào)較小、溫度穩(wěn)定，達(dá)到了國標(biāo)的要求。

1 控制系統(tǒng)建模

1.1 系統(tǒng)的原理

本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的被控對象是灼熱絲，測量元件是溫度測量模塊和電流測量模塊，執(zhí)行元件是可控硅，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。溫度測量模塊的功能是測量灼熱絲的溫度值，電流測量模塊的功能是測量通過灼熱絲的電流值?？刂葡到y(tǒng)對溫度值和電流值實(shí)時(shí)采集，以溫度值作為反饋對通過灼熱絲的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對灼熱絲溫度的控制。

圖1 溫度控制系統(tǒng)框圖

1.2 模型建立

被控對象灼熱絲是一種固定規(guī)格的電阻絲環(huán)，主要成分是80%的Ni和20%的Cr，它的電阻值隨著溫度升高實(shí)時(shí)變化。因此，灼熱絲的加熱過程是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，其數(shù)學(xué)模型很難精確獲得。一般溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，含有需要辨識的截止頻率，同時(shí)考慮系統(tǒng)中存在的時(shí)滯環(huán)節(jié)，就可以得到其傳遞函數(shù)為[4-6]：

需要辨識的是一個(gè)非線性模型，它的單位階躍響應(yīng)曲線可以通過試驗(yàn)的方法獲得。然后根據(jù)Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法，通過MATLAB軟件算出未知參數(shù)K、T和τ，進(jìn)而得到系統(tǒng)的近似傳遞函數(shù)為：

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灼熱絲溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)是將灼熱絲的溫度值保持在設(shè)定值上，因此系統(tǒng)主要考慮的是穩(wěn)定性和抑制干擾。由于這種設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用IMCPID控制方法進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 PID控制規(guī)律

PID控制規(guī)律是對控制系統(tǒng)偏差的比例、積分和微分的整體控制。比例項(xiàng)P是系統(tǒng)偏差，直接反映在系統(tǒng)的增益上，系統(tǒng)的帶寬和動(dòng)態(tài)性能直接與P有關(guān)；積分項(xiàng)I是系統(tǒng)偏差的累積值，其作用主要是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分項(xiàng)D是最近連續(xù)兩次系統(tǒng)偏差的差值，它的作用主要是增加系統(tǒng)的阻尼[7]。PID控制器的傳遞函數(shù)可以表示為下式：

2.2 IMC控制規(guī)律

內(nèi)模控制（Internal Model Control，簡稱 IMC）是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制方法，該方法設(shè)計(jì)簡單、控制性能良好并且無需精確的被控對象模型。

2.3 IMC-PID控制器設(shè)計(jì)

本文采用對消法進(jìn)行IMC控制器設(shè)計(jì)[8-10]，首先分解式（2）所示的溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到下式：

然后在G-(s)上增加濾波器，以確保溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后得到所設(shè)計(jì)的IMC控制器的傳遞函數(shù)為：

在實(shí)際加熱過程中，系統(tǒng)參數(shù)隨著灼熱絲溫度的變化會(huì)發(fā)生改變，電網(wǎng)噪聲也會(huì)對控制性能產(chǎn)生影響。針對這種特殊情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有一定穩(wěn)定性的IMC-PID控制器，控制器框圖如圖2所示。圖2中G0(s)為系統(tǒng)真實(shí)的傳遞函數(shù)，G(s)為系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)辨識的傳遞函數(shù)，GIMC-PID(s)為系統(tǒng)IMC-PID控制器的傳遞函數(shù)，控制器框圖中的兩個(gè)G(s)可以互消，實(shí)際系統(tǒng)就是一個(gè)經(jīng)典的反饋控制系統(tǒng)，這就是所設(shè)計(jì)的IMC-PID控制器。

圖2 IMC-PID控制器框圖

IMC-PID控制器的傳遞函數(shù)為：

采用相對誤差較小的全極點(diǎn)近似法把上式的時(shí)滯項(xiàng)展開，得到等效的傳遞函數(shù)為：

把式（7）按Maclaurin方法展開，計(jì)算整理后得到IMC-PID控制器的參數(shù)整定公式為：

在simulink中搭建仿真模塊，得到系統(tǒng)的溫度變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著值的減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快；隨著值的增大，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，曲線變得平滑，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。因此，在溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)試過程中要根據(jù)具體情況對值進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 不同 值時(shí)溫度變化曲線

3 系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)

灼熱絲溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案如圖5所示，它包括溫度測量模塊、電流測量模塊和溫度控制模塊三部分。

圖4 受到干擾后的溫度變化曲線

圖5 硬件設(shè)計(jì)方案

圖6 溫度測量模塊電路原理圖

3.1 溫度測量模塊

溫度測量模塊采用K型鎧裝熱電偶對灼熱絲的溫度進(jìn)行測量，然后通過MAX6675芯片將熱電偶測得的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以串行通信的方式傳送給MCU。熱電偶的輸出熱電勢與測量端、冷端的溫度有關(guān)，而MAX6675內(nèi)部集成了冷端補(bǔ)償電路和非線性校正電路，這樣減少了程序編制和調(diào)試電路的難度。溫度測量模塊的電路原理圖如圖6所示，熱電偶的輸入負(fù)極T-接地，并且盡可能地靠近MAX6675的引腳地；在MAX6675電源與地之間接入一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，防止噪聲的干擾。

3.2 電流測量模塊

電流測量模塊采用精度和靈敏度較好的AD736芯片，將采樣電阻兩端的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過MCU自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能獲得此數(shù)值，最后再經(jīng)過計(jì)算就可以得到通過灼熱絲的電流值。電流測量模塊的電路原理圖如圖7所示。其中Cc為低阻抗輸入端，用于外接低阻抗輸入電壓，被測電壓經(jīng)18μF的耦合電容與此端連接；Vin為高阻抗輸入端，直接接到模擬地上；正電源端+Vs和負(fù)電源端-Vs分別與模擬地之間接入一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，防止噪聲的干擾；在CAV端接入一個(gè)47μF的電容，對芯片的測量精度進(jìn)行了優(yōu)化。

圖7 電流測量模塊電路原理圖

3.3 溫度控制模塊

溫度控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，該模塊包括過零檢測電路和可控硅控制電路。

過零檢測電路的功能是獲取市電的過零信號，電路原理圖如圖8所示。當(dāng)市電的波形從正半周期向負(fù)半周期或負(fù)半周期向正半周期轉(zhuǎn)換時(shí)，如果電壓有效值超過0.7V，三極管導(dǎo)通，三極管集電極形成低電平；如果電壓有效值小于0.7V，三極管截止，三極管集電極形成高電平。這樣通過三極管的反復(fù)導(dǎo)通和截止，在SYN處形成100Hz的脈沖波形，MCU對其進(jìn)行判斷檢測市電的零點(diǎn)。

可控硅控制電路原理如圖9所示，MOC3021為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，用來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BTA并起到隔離的作用，同時(shí)搭配100Ω觸發(fā)限流電阻和門極電阻，提高了電路的抗干擾能力。MCU通過控制CTRL端電壓值的變化來對可控硅的通斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外在可控硅的兩級間并聯(lián)了一個(gè)RC阻容吸收電路，對雙向可控硅進(jìn)行過電壓保護(hù)。

圖8 過零檢測電路原理圖

圖9 可控硅控制電路原理圖

3.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

灼熱絲溫度控制系統(tǒng)的軟件流程如圖10所示。程序首先進(jìn)行初始化，設(shè)定相關(guān)變量和聲明相關(guān)子函數(shù)，然后進(jìn)入主程序等待過零檢測中斷函數(shù)響應(yīng)。待過零檢測中斷函數(shù)響應(yīng)后，進(jìn)入中斷函數(shù)，對中斷標(biāo)志位清零，測量通過灼熱絲的電流值；待市電50次過零之后，對標(biāo)志位Flag清零，測量灼熱絲的溫度值，最后根據(jù)IMC-PID控制方法對可控硅進(jìn)行控制。

4 試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定試驗(yàn)溫度為650℃，利用灼熱絲試驗(yàn)裝置來試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的IMC-PID控制器。設(shè)置試驗(yàn)溫度為650℃，設(shè)置采樣時(shí)間為0.5s，通過試驗(yàn)裝置上的RS485串口將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上，最后得到的灼熱絲溫度變化曲線如圖11所示。

從圖11中可以看出，實(shí)際試驗(yàn)曲線與仿真結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的IMC-PID控制器具有較好的穩(wěn)定性。

圖10 軟件流程圖

圖11 溫度變化曲線

5 結(jié)論

本文針對灼熱絲試驗(yàn)裝置中的灼熱絲溫度自動(dòng)控制問題設(shè)計(jì)了IMC-PID控制器，通過simulink仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該控制方法的有效性。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和較好的穩(wěn)定性，溫度控制的穩(wěn)定性完全滿足國標(biāo)的要求。

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Design and Implement of Glow-wire Temperature Control System Based on IMC-PID

ZHAO Ming，REN Xiao-hong，LI Chao
(Harbin Research Institute of Electrical Instrumentation，Harbin 150000，China)

According to the temperature control problem of glow-wire test apparatus，this paper designed the temperature control system with IMC-PID control method，then conducted stimulation analysis and realized the designed control system.The experimental results showthat:the temperature control systemhas a faster temperature elevation speed，shorter adjustment time and nice dynamic performance.

glow-wire；temperature control；design ofcontrol system；IMC-PID

TH7

A

1674-3229（2017）03-0048-05

2017-05-30

趙明（1986-），男，碩士，哈爾濱電工儀表研究所工程師，研究方向：控制科學(xué)與工程。