基于PID算法的實(shí)驗(yàn)室用恒溫?cái)?shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白顯會(huì)

摘要：本系統(tǒng)控制算法采用了PID增量式算法，溫度傳感器AD590來(lái)檢測(cè)溫度，測(cè)溫電路把溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓變換，通過(guò)A＼D轉(zhuǎn)換后送入溫度數(shù)字控制器與給定值進(jìn)行比較。經(jīng)控制器控制運(yùn)算后得到可控硅合適的觸發(fā)脈沖，從而調(diào)節(jié)加熱器或風(fēng)扇兩端的電壓形成控制作用，達(dá)到溫度保持恒定的目的。

關(guān)鍵詞：控制器;PID控制算法;AD590;A＼D轉(zhuǎn)換;可控硅;觸發(fā)脈沖。

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，廣泛存在需要保持恒溫的溫度控制系統(tǒng)。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便的的優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)過(guò)程控制中一種廣泛采用的控制方法，已從模擬控制發(fā)展到數(shù)字控制，技術(shù)還在不斷提高，并且積累的經(jīng)驗(yàn)也越來(lái)越多。由經(jīng)驗(yàn)表明：在連續(xù)控制系統(tǒng)中，當(dāng)對(duì)象為一階和二階慣性環(huán)節(jié)或同時(shí)帶有滯后時(shí)間不大的滯后環(huán)節(jié)時(shí)，PID控制算法是一種比較好的控制方法。而溫度對(duì)象一般都可以看作是帶純滯后時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)，用PID控制算法就可以對(duì)其進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。本文采用數(shù)字PID算法來(lái)設(shè)計(jì)了一恒溫?cái)?shù)字控制系統(tǒng)，可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室孵蛋箱、細(xì)菌培育箱等需要恒溫控制的地方。

1系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用溫度檢測(cè)電路檢測(cè)溫箱內(nèi)的溫度，所得到的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入PID控制器與系統(tǒng)給定值比較得出偏差，經(jīng)過(guò)控制器控制運(yùn)算后得到可控硅合適的觸發(fā)脈沖，由這個(gè)脈沖控制可控硅的導(dǎo)通，從而達(dá)到溫箱溫度保持恒定的目的。

2恒溫?cái)?shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成

恒溫?cái)?shù)字控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件是數(shù)字控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它在軟件的協(xié)調(diào)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象參數(shù)的檢驗(yàn)，完成對(duì)被控對(duì)象的控制任務(wù)。硬件包括：主機(jī)，外部設(shè)備，傳感器和變送器，功率放大和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬量輸入通道，模擬量輸出通道，開(kāi)關(guān)量輸入和輸出通道，接口電路和電源?？刂葡到y(tǒng)的軟件，指的是它的全部程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。

3恒溫控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的原理圖如圖3.1-1所示。我們把采集來(lái)的溫度值經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后與給定值比較，得到的差量作為PID控制器的輸入，由PID控制器的輸出來(lái)控制可控硅。

根據(jù)原理圖我們可設(shè)計(jì)出硬件電路，本系統(tǒng)利用AD590溫度傳感器電路把溫度采集量轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓，再由A/D變換器變成數(shù)字信號(hào)后，送給控制器80C52單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)給定的溫度和實(shí)際測(cè)量的溫度求出系統(tǒng)偏差e，再利用PID算法求出控制量U（k）。通過(guò)U（k）來(lái)決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度，從而控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間最終達(dá)到控制溫度的目的。還有用8255A芯片來(lái)擴(kuò)展I/O口，PA口接測(cè)量顯示的LED，PB口接給定溫度顯示的LED，PC口控制LED數(shù)碼管的選通，8255A的地址通過(guò)鎖存器74L373選擇，這樣就很好的解決了單片機(jī)端口資源不足的問(wèn)題，并且各個(gè)模塊功能清晰。系統(tǒng)還具有溫度預(yù)警提示功能。

3.2對(duì)象分析

假如我們對(duì)一個(gè)具體被控對(duì)象溫箱的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究的話，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在儲(chǔ)能元件，使系統(tǒng)對(duì)外界的作用具有一定的慣性（這種慣性在我們的控制系統(tǒng)里面用一個(gè)慣性時(shí)間常數(shù)T來(lái)描述）。在加熱和降溫過(guò)程中，會(huì)因加熱絲的物理特性和對(duì)象的升溫特性等原因引入一些時(shí)間過(guò)程上的滯后（這種時(shí)間過(guò)程上的滯后在我們的控制系統(tǒng)里面用一個(gè)過(guò)程時(shí)間滯后常數(shù) 來(lái)描述）。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，溫箱對(duì)象都可近似看做是帶純滯后的一階純滯后環(huán)節(jié)，所以得出恒溫?cái)?shù)字控制系統(tǒng)的對(duì)象傳遞函數(shù)為：

或? ? ? ? ? ? ? ? ? （3.2-1）

式中為純滯后時(shí)間，它比T1，T2小得多。在我們恒溫控制系統(tǒng)中，總會(huì)存在外界的干擾以及系統(tǒng)本身各種參數(shù)的變化，這些參數(shù)的變化可能使系統(tǒng)的性能變差。為了改善系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，我們除了按偏差的比例調(diào)節(jié)外，引入偏差的積分，以克服余差，提高控制精度，加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)能力。另外，我們引入偏差的微分來(lái)克服慣性上的滯后，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。所以根據(jù)對(duì)象的特性我們采用了PID算法作為我們此系統(tǒng)的控制算法。

3.3數(shù)字PID算法程序設(shè)計(jì)

數(shù)字PID算法一般常用的算法有位置式算法、增量式算法。根據(jù)我們對(duì)溫度對(duì)象的分析這里我們采用增量式溫度算法來(lái)設(shè)計(jì)程序。PID控制的理想微分方程為：

（3.3 -1）

式3.3-1中，e（t）=x（t）-y（t）稱為偏差值，可作為調(diào)節(jié)器算法的輸入值，其中x（t）為給定值，y（t）測(cè)量值， 為比率系數(shù); 為時(shí)間常數(shù); 為微分時(shí)間常數(shù); 為調(diào)節(jié)器的控制電壓信號(hào)。但計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，故上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換。若設(shè)溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸出偏差為 ，調(diào)節(jié)器輸出為 ，則有：

這樣3.3-1式可寫(xiě)成U（k）=U（K-1）+PP+PI+PD（根據(jù)此式可寫(xiě)出PID控制程序）。

4結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)算法采用了PID增量式算法，做到了超調(diào)量盡可能的小， PID控制器的具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、參數(shù)易于調(diào)整、自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中是一種最普遍采用的控制方法[4]。在工業(yè)過(guò)程控制中，由于很難建立對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，所以人們往往采用PID控制技術(shù)，參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)整，從而得到滿意的控制效果。硬件電路的微控制器采用了80C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)過(guò)程采用層次化設(shè)計(jì)。本恒溫控制系統(tǒng)滿足了實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞、細(xì)菌等的培養(yǎng)對(duì)溫度控制的要求，如果有不完善的地方希望同行指正！

參考文獻(xiàn)：

[1]胡壽松. 自動(dòng)控制原理（第五版）[M]. 北京：科學(xué)出版社，2019

[2] 余永全，汪明慧等.單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003

[3] 李正軍.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2015

[4]余孟嘗. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1999