PID溫控實(shí)驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用

李震春 許積文 陳國華 蘇吉青 田志

摘要：本文設(shè)計了基于STC89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。開發(fā)了PC機(jī)測控軟件，通過串口通信實(shí)時對實(shí)驗平臺發(fā)送PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)，實(shí)時采集并保存來自實(shí)驗平臺的溫度數(shù)據(jù)，并做出溫度曲線。該平臺經(jīng)過實(shí)驗驗證取得了較為滿意的控制效果，可以幫助學(xué)生更好地理解和靈活掌握PID控制理論，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗平臺；溫控系統(tǒng)；測控軟件；PID控量；PWM周期

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0277-02

PID（Proportional Integral Derivative）控制由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于溫度、轉(zhuǎn)速、流量等工業(yè)過程控制[1]。本文根據(jù)工科物理實(shí)驗課的教學(xué)要求，設(shè)計了PID溫控參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗。

一、實(shí)驗平臺的設(shè)計

1.數(shù)字PID控制原理（略）。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計方案。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為89C52微控制器、上位機(jī)軟件、LCD顯示、DS18B20測溫[2]、雙向可控硅及其控制的加熱器。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)預(yù)定或上位機(jī)軟件發(fā)送來的PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)，當(dāng)采樣周期到達(dá)時，由DS18B2檢測容器的實(shí)際溫度送給單片機(jī)，單片機(jī)通過串口再將溫度值傳到上位機(jī)實(shí)時保存和顯示，并且將采集到的溫度信號與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較。當(dāng)偏差信號大于PID控量時，為了加快加熱速度，雙向可控硅與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，PID調(diào)節(jié)器不起作用；當(dāng)偏差信號小于或等于PID控量時，根據(jù)偏差信號及PID參數(shù)計算出相應(yīng)的PWM控制量，從而控制加熱器以多大的功率進(jìn)行加熱，使容器的實(shí)際溫度向著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。

3.硬件電路設(shè)計。由于電加熱管需要220V供電，因此不能直接連接單片機(jī)。由光電耦合器MOC3020和雙向可控硅BTA12-800B組成加熱管控制電路；由雙向可控硅和加熱管串接在交流220V供電回路中形成加熱管工作電路。具體溫度控制電路見圖2。這種溫度控制電路，一方面使得控制端（弱電）與負(fù)載端（強(qiáng)電）能有效隔離，提高抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)小功率控制大功率；另一方面根據(jù)位置式或增量式PID算法獲得的計算結(jié)果Un（ΔUn），將模擬量轉(zhuǎn)化為時間量，然后改變給定控制周期內(nèi)加熱管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間比例，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的，這種控溫原理稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）[3]。另外，由于通過可控硅的電流很大，大約為5A，所以做硬件實(shí)物時必須接一塊散熱片來保護(hù)。

4.程序設(shè)計。軟件程序主要由主程序、T0中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)的更新，讀取并顯示溫度，由PID計算出加熱時間等工作，其流程圖如圖3所示。T0中斷服務(wù)子程序主要完成確定采樣周期、產(chǎn)生讀溫度標(biāo)志位和控制加熱功率的工作，其流程圖如圖4所示。

5.上位機(jī)軟件的設(shè)計。在本溫控系統(tǒng)中，以單片機(jī)89C52作為下位機(jī)，用可視化語言VB編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)，向用戶提供直接的人機(jī)接口管理界面，下位機(jī)與上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信。通過運(yùn)行上位機(jī)的監(jiān)控軟件，用戶可方便的對PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度參數(shù)等進(jìn)行在線修改，接收下位機(jī)上傳的溫度信息數(shù)據(jù)，并實(shí)時顯示溫度值以及變化趨勢。另外，實(shí)際溫度值隨時間變化的數(shù)據(jù)也可以保存成Excel文檔，方便用戶用其他軟件，如Origin等分析實(shí)驗現(xiàn)象。

二、PID溫控參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗

數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定控制器的參數(shù)。本實(shí)驗系統(tǒng)中PWM周期與采樣周期一樣。PID控量等于設(shè)定目標(biāo)溫度與PID啟動調(diào)節(jié)的起始溫度之差，由于溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng)及溫度傳感器對溫度的檢測也存在一定的滯后效應(yīng)[4]，如果PID控量過小或過大都可能導(dǎo)致較長時間才能達(dá)到設(shè)定值甚至難以達(dá)到設(shè)定值。因此，PWM周期、PID控量的合理設(shè)置對溫控效果有極其重要的作用。本實(shí)驗利用正交實(shí)驗方法研究KP、KI、KD、PID控量、PWM周期等控制參數(shù)對溫控效果的影響，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的PID溫度控制參數(shù)。

將PWM周期、PID控量合并為一個因素并記作KT+KC，四個因素的三個水平的取值分別為：KP={1，4，8}，KI={0.1，0.5，1.0}，KD={2，5，8}，KT+KC={1+0.5，2+1，3+1.5}，設(shè)計一個L9（34）正交實(shí)驗表，如表1所示。將從20℃到穩(wěn)定在70℃的調(diào)節(jié)時間內(nèi)作為本次實(shí)驗的實(shí)驗指標(biāo)。利用直觀分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到的結(jié)果見表1。根據(jù)各列極差R的計算結(jié)果，可得出該控制系統(tǒng)影響控溫效果最為顯著的是KP，然后KC+KT、KD，最后是KI，由此可見，PWM周期、PID控量的合理設(shè)置對溫控效果有極其重要的作用，且與理論分析結(jié)果相一致。根據(jù)k1、k2、k3的計算結(jié)果可得出本輪實(shí)驗對系統(tǒng)最好的參數(shù)取值應(yīng)該是KP=8，KI=0.1，KD=2，KC=1℃，KT=1s。用此參數(shù)實(shí)測得到溫控曲線見圖5，其調(diào)節(jié)時間為550s，超調(diào)量為2.7℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃，達(dá)到了預(yù)期的參數(shù)優(yōu)化效果。

三、結(jié)語

實(shí)驗結(jié)果表明：PWM周期、PID控量的合理設(shè)置對溫控效果有極其重要的作用，與理論分析相一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]余瑾，姚燕.基于DS18B20測溫的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2009，25（3）：105-106.

[3]高立兵，康雁林.基于AVR單片機(jī)的PID溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2010，23（4）：91-92.

[4]曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.