一種應用于溫度控制系統的PID控制電路設計

蔡璇 閆加勝 梅潔穎

【摘要】在熱分布式質量流量測試系統中，利用恒溫差法測量流量，因此對溫度控制系統的精確直接關系到流量測試的精確度。本文主要介紹了一種手動調試的PID 控制方法，通過調節PID電路中參數來使得溫差信號保持在一個穩定的值，文章中首先對PID控制電路的基本原理做了簡單地介紹，設計出電路并且繪制PCB電路板，對電路板進行調試并且將其應用于實際熱式質量流量測試系統中，實驗證明該電路可以達到控制效果。

【關鍵詞】PID控制;溫度控制;流量測試;恒溫差

Abstract：In the heat distributed mass flow measurement system ，constant temperature difference method is used to measure flow，so is precise in temperature control system is directly related to the accuracy of the flow test.This paper mainly introduces a kind of manual debugging PID control method，by adjusting the PID parameters to make the difference in temperature signal circuit is kept in a stable value，the article first done to the basic principle of PID control circuit is introduced simply，design circuit and draw PCB circuit boards，circuit board for debugging and applied to the actual thermal type mass flow testing system，the experiment proved that the circuit can achieve the control effect.

Keywords：PID control;the temperature control;flow test;constant difference in temperature

引言

在現代控制領域中，高精度溫度控制是最重要的研究課題之一。隨著科學技術的飛速發展，各種行業對溫度精度的要求越來越高，對溫控系統穩定性要求也越來越嚴格。本文主要研究一種應用于溫度控制電路的手動調節PID控制方法，PID控制是一種負反饋控制，是一種比較精確的常規控制，并具有以下優點：原理簡單、使用方便;適應性強，可廣泛的應用于各種場合和工業部門;魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。因此，PID控制已成為日前溫度控制中最基本的控制力式[1]。

在熱分布式質量流量測量系統中，利用恒溫差測量時，常常要求溫差信號能夠維持在一個比較穩定的值，但是測量得到的溫差信號往往會有超前或者滯后的特點，通過采用PID控制方法，調節電路中P、I、D各部分的參數比例可以解決溫差輸出信號的超前或滯后問題[2]，從而得到比較穩定的溫差信號。

1.PID控制原理

PID控制電路主要由比例電路、積分電路以及微分電路構成：

（1）比例環節：比例電路可以成比例的反映控制系統的偏差信號，系統偏差一旦產生，調節器立即產生與其成比例的控制作用，以減小偏差，比例控制反映快，但對于某些系統，可能存在穩態誤差，增大比例系數，系統的穩態誤差減小，但穩定性可能變差。

（2）積分環節：用于消除穩態誤差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分常數，積分常數越大，積分速度越慢，積分作用越弱，反之則越強，積分環節可以使系統的頻帶變窄。

（3）微分環節：微分環節反映偏差信號的變化速率，具有預見性，能預見信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期的修正信號，從而加快系統的響應速率，減小調節時間。

在本系統中主要采用PI電路，PI電路中比例電路主要影響響應速率，比例參數越大，響應速度越快，但是當比例參數太大時，會引起比較大的超調和振蕩，使得整個系統不穩定。積分參數主要影響靜態精度，消除靜差，當系統處于穩定狀態時，積分參數越大，積分速度會越慢，在偏差較大時，PI控制主要以提高系統動態響應速度為主。

2.PID控制電路原理圖

本文所設計的PI控制電路中包括第一級放大電路、比較電路以及PI電路，第一級放大電路以及PI控制電路中主要采用運放OP07，比較電路則采用運放AD620。在電路中比例電路中反饋電阻以及積分電阻采用滑動變阻器，便于調節比例參數以及積分參數。電路原理圖如圖1所示：

如圖1所示，在測試系統中由前級電路輸出的信號首先通過電路中第一級放大電路，然后將放大輸出信號與標定電壓進行比較，通過AD620輸出電壓差信號記為U1，AD620的放大倍數與它的1管腳以及8管腳之間的增益電阻有關，計算公式為：

其中G為AD620放大增益。

將U1通過PI電路進行調節，其中Kp=-RH2/R7，積分時間常數τ=RH1*CJ1，CJ1微積分電容，積分參數Ki=-1/τ，其中RH1與RH2為可調電阻。

由于PI控制電路后續電路為恒流源加熱電路，恒流源加熱電路直接驅動置于熱式質量流量外壁上的加熱絲，因此通過PI電路將AD620輸出的電壓差控制在穩定值，進而控制加熱電路的輸出使其保持在穩定值。

圖2 流速為0.006L/S時系統輸出波形變化

3.實驗結果

將PI控制電路接入流量測量系統的整體電路中，在實驗中將流量計中流速調節為0.006L/S，調節比例參數以及積分參數，調節參數時需要主意的是應該先調節比例參數，比例參數由小增大，積分參數調節至最大。將比例電路的參數調節增大至Kp=1.6，此時加入積分電路，積分電路中積分電容值為CJ1=0.1uF，積分電阻可調節，將積分電阻值調節為RH1=3.6KΩ，此時積分時間常數為τ=0.36ms，信號波形變化趨于穩定，通過示波器觀察加熱電路輸出波形曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，加熱絲上的溫度經過一段時間的響應變化之后逐漸平穩，響應時間為70S，平衡時電壓輸出為3.510V。

當流量計中流速增大為0.014L/S時，用示波器觀察加熱電路輸出如圖3所示：

圖3 流速為0.014L/S時系統輸出波形變化曲線

由圖3可以看出，曲線變化響應時間為72S，平衡時輸出電壓值電壓值為4.320V。

4.實驗結論

由圖2以及圖3實驗結果可以看出PI控制電路可以達到控制要求，使得加熱絲上的溫度最終維持在一種平衡狀態，并且實驗具有重復性，因此該設計符合實驗要求。

參考文獻

[1]周黎英.模糊PID控制算法在恒速升溫系統中的應用[J].儀器儀表學報，2008，29（2）：405-409.

[2]何愛香.一種新型高精度溫度控制方法[J].計算機仿真，2009，26（9）：120-123.

作者簡介：蔡璇（1989—），女，碩士研究生，現就讀于中北大學，主要研究方向：通信與信息系統。