基于LabVIEW的PID自整定溫控系統(tǒng)研究

李寧 鄭藝華

摘要：? 為降低PID控制在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜程度，滿足用戶對(duì)溫控精度的需求，本文開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的PID自整定溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路和STC89C52單片機(jī)控制程序等硬件部分，利用LabVIEW中的工具包對(duì)PID自整定控制的程序面板及前面板進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在不同加熱功率和變負(fù)荷條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)定的加熱功率和負(fù)荷下，雙位控制的精度為-013 ℃～+027 ℃，與雙位控制相比，溫控精度可達(dá)±01 ℃。該系統(tǒng)提高了溫度控制精度，操作簡(jiǎn)便，通用性強(qiáng)，滿足絕大多數(shù)用戶對(duì)溫控精度的要求，可進(jìn)一步應(yīng)用到民用及工業(yè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：? PID自整定; LabVIEW; 溫度控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TP273+.2; TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

在工業(yè)和實(shí)際生活中，過(guò)程控制技術(shù)有重要應(yīng)用，與其他控制方式相比，比例積分微分（proportionintegraldifferential，PID）過(guò)程控制因其快速高效的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)PID控制很難實(shí)現(xiàn)良好的效果，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而不斷發(fā)展出的PID自整定控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制等控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了較好的控制效果，在工業(yè)和民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如工業(yè)熱處理過(guò)程中的溫度控制、直流電機(jī)控制等[16]，其中溫度控制是一項(xiàng)重要應(yīng)用[711]。LabVIEW采用圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序，包括前面板和程序面板，用戶可通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)控制程序進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，與硬件的結(jié)合滿足過(guò)程控制的需求，與PID控制的結(jié)合為PID控制的應(yīng)用提供了便利。基于LabVIEW的PID控制系統(tǒng)，結(jié)合模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方式后，在溫度控制領(lǐng)域有了較多的應(yīng)用研究。劉偉立等人[12]利用LabVIEW提供的PID工具包實(shí)現(xiàn)了PID控制，并且通過(guò)更改PID控制的參數(shù)來(lái)分析各參數(shù)對(duì)控制對(duì)象的控制效果的影響;晉兵營(yíng)[13]利用LabVIEW建立了直流電機(jī)反饋控制系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析，在整定PID控制參數(shù)是考慮了干擾對(duì)EPS系統(tǒng)直流電機(jī)控制的影響;陳睿麟等人[14]利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行了整定;曹靜等人[15]利用LabVIEW程序，對(duì)熱處理溫控系統(tǒng)的溫度信號(hào)分析處理后發(fā)送到系統(tǒng)的溫控電路，然后利用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理溫控系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。但以上研究大部分需要對(duì)模糊識(shí)別或自整定參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并需要根據(jù)其可行性進(jìn)行不斷的調(diào)試修改，為PID控制的實(shí)際應(yīng)用增加了許多不便?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了溫度控制系統(tǒng)，利用LabVIEW中提供的PID自整定組件編寫(xiě)PID自整定控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化PID控制在溫度控制中應(yīng)用的復(fù)雜程度，方便用戶的使用，可進(jìn)一步應(yīng)用于其它領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件包括固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路和STC8C52單片機(jī)控制程序。硬件設(shè)計(jì)主要分為以下五部分：

1） 由數(shù)據(jù)采集儀USB4718連接銅康銅熱電偶和計(jì)算機(jī)，測(cè)量被控溫鋁塊中心點(diǎn)處的溫度，并讀入LabVIEW中，研華USB4718如圖1所示。

2） 由LabVIEW得到的控制量數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信發(fā)送給單片機(jī)模塊STC89C52，單片機(jī)控制模塊如圖2所示。

3） 根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機(jī)中的程序需計(jì)算輸出的PWM波的通斷時(shí)間比，程序中的串行中斷用于接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，定時(shí)中斷程序用于計(jì)算PWM波的通斷時(shí)間比。單片機(jī)STC89C52控制程序如圖3所示。

4） PWM波由單片機(jī)中的程序控制單片機(jī)引腳輸出高低電平的時(shí)間比（即固態(tài)繼電器通斷比），高電平時(shí)即為導(dǎo)通，低電平時(shí)即為關(guān)斷。

5） 固態(tài)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)引腳、三極管S9014、二極管FR107、直流電源、限流電阻R等構(gòu)成。三極管S9014的作用是放大基極發(fā)射極回路電流;限流電阻的作用是防止經(jīng)過(guò)放大作用后的集電極電流過(guò)大;二極管FR107的作用是釋放繼電器關(guān)斷后的殘余電流，單片機(jī)引腳輸出高電平時(shí)即可導(dǎo)通固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)，鋁塊上側(cè)貼合硅膠加熱板，下側(cè)貼合鋁制散熱塊，鋁塊即為溫控區(qū)域，以鋁塊幾何中心點(diǎn)處的溫度表示鋁塊整體的平均溫度，由銅康銅熱電偶測(cè)得。鋁制散熱板與鋁塊貼合，下部安裝風(fēng)扇，利用螺栓和木板將裝置固定，在裝置中組件之間的貼合處以及安放熱電偶的槽中涂有導(dǎo)熱硅脂。實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖[1617]如圖6所示。

鋁塊中心點(diǎn)處的溫度、加熱板的電流、電壓均通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量，由Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測(cè)量采集，測(cè)溫?zé)犭娕疾捎肨型銅康銅熱電偶，直徑05 mm，精度±05 ℃。實(shí)際操作過(guò)程中，首先設(shè)定主加熱板功率和風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，由Agilent34972A連接電腦讀取測(cè)量裝置中的溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由LabVIEW中的程序進(jìn)行PID自整定控制單片機(jī)模塊輸出PWM波改變加熱板的等效加熱功率，PWM控制中采用的固態(tài)繼電器控制加熱板回路的通斷。待測(cè)量裝置的溫度曲線處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)不同設(shè)定工況下的溫度曲線進(jìn)行對(duì)比。

3 性能分析

3.1 PID自整定控制與雙位控制對(duì)比

環(huán)境溫度為19 ℃，設(shè)定目標(biāo)溫度為25 ℃，加熱板功率為11 W，風(fēng)扇供給電壓為75 V。PID控制和雙位控制加熱板控溫精度對(duì)比如圖7所示。加熱板的控制方式采用雙位調(diào)節(jié)模式，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)斷加熱板供給電源回路;當(dāng)實(shí)時(shí)溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，導(dǎo)通加熱板供給電源回路。雙位調(diào)節(jié)模式中，加熱板供給電壓回路的導(dǎo)通與關(guān)斷由固態(tài)繼電器控制。

圖7a中，PID自整定模式控制加熱板，控溫偏差為-009 ℃～+006 ℃;圖7b中，雙位模式控制加熱板，控溫偏差為-013 ℃～+027 ℃。由圖7可以看出，兩者進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間相同，但前者的溫度曲線波動(dòng)幅度較小，頻率較低，控溫精度更高，滿足用戶對(duì)溫度控制精度的一般性要求。這是由于在雙位控制中，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，加熱板以11 W的設(shè)定功率進(jìn)行滿功率加熱;當(dāng)實(shí)時(shí)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，加熱板回路被關(guān)斷進(jìn)而停止加熱，在整個(gè)過(guò)程中，存在較大的熱慣性。在PID自整定控制中，通過(guò)對(duì)PID控制器的計(jì)算，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度低于或接近設(shè)定溫度時(shí)，PID控制器的輸出減小，通過(guò)減小固態(tài)繼電器通斷時(shí)間的占空比，使加熱板的加熱功率減小，在整個(gè)過(guò)程中由于加熱板加熱所產(chǎn)生的熱慣性相應(yīng)的減小，使整個(gè)控制過(guò)程的溫控精度明顯提高。

3.2 相同冷源不同加熱板功率情況下的溫控曲線

環(huán)境溫度為19 ℃，設(shè)定目標(biāo)溫度為25 ℃，冷源的風(fēng)扇一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，供給電壓為75 V。分別設(shè)定加熱板功率為11 W和13 W，對(duì)加熱板采用PID自整定控制模式，并對(duì)兩種工況下所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在相同冷源不同加熱板功率情況下的溫控曲線如圖8所示，經(jīng)過(guò)PID自整定后，穩(wěn)定狀態(tài)下控溫精度良好。由圖8a可以看出，加熱板功率為11 W時(shí)的控溫偏差為-009 ℃～+006 ℃;由圖8b可以看出，加熱板功率為13 W時(shí)控溫偏差為-004 ℃～+011 ℃，均符合用戶對(duì)控溫精度的要求。相對(duì)設(shè)定溫度而言，圖8a中的曲線偏差向下偏移較多，圖8b中的曲線向上偏移較多，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱板的功率使控溫的偏差相對(duì)設(shè)定溫度形成對(duì)稱。

3.3 相同加熱板功率不同冷源情況下的溫控曲線

環(huán)境溫度為19 ℃，設(shè)定目標(biāo)溫度為25 ℃，加熱板功率為11 W，風(fēng)扇設(shè)定為開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，風(fēng)扇開(kāi)時(shí)，其供給直流電壓為75 V。對(duì)加熱板采用PID自整定控制模式，并對(duì)兩種工況下所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

相同加熱功率不同冷源情況下的溫控曲線如圖9所示。經(jīng)過(guò)PID自整定后，穩(wěn)定狀態(tài)下的控溫精度良好。由圖9a可以看出，風(fēng)扇開(kāi)時(shí)，控溫偏差為-009 ℃～+006 ℃;由圖9b可以看出，風(fēng)扇關(guān)時(shí)，除單個(gè)峰值的偏差之外，控溫偏差為-05 ℃～+011 ℃，均符合溫控精度的要求。相對(duì)設(shè)定溫度而言，圖9a中的曲線偏差向下偏移較多，圖9b中的曲線向上偏移較多，可通過(guò)調(diào)節(jié)冷源風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速使溫控的誤差相對(duì)設(shè)定溫度上下對(duì)稱。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的PID自整定溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和STC89C52單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)等硬件部分，由軟件LabVIEW的工具包開(kāi)發(fā)軟件部分，并在不同加熱功率和變負(fù)荷條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，該系統(tǒng)在改變加熱功率和冷源的情況下均可實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，可達(dá)±01 ℃。在本文設(shè)定的加熱功率和負(fù)荷下，雙位控制的溫度控制精度為-013 ℃～+027 ℃，與雙位控制相比，提高了溫控精度。與模糊PID溫度控制等方式相比，該系統(tǒng)降低了在使用過(guò)程中的復(fù)雜程度，通用性強(qiáng)，滿足絕大多數(shù)用戶對(duì)控溫精度的要求，可進(jìn)一步應(yīng)用到民用及工業(yè)領(lǐng)域。本文實(shí)驗(yàn)裝置中被控溫區(qū)域?yàn)楣虘B(tài)，下一步的研究重點(diǎn)是增加液體及氣態(tài)等流動(dòng)工況下的實(shí)驗(yàn)研究。

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