基于增量式PID算法的恒溫控制系統

摘 要：在這個信息化的時代，科學技術在迅猛的發展，恒溫控制系統也在隨之不斷完善，因為它在越來越多的企業中起著關鍵性的作用。從理論上來說，恒溫控制系統比較完善的地方在于控制方面和檢測方面，從實際應用來說，它還存在著諸多問題，如不能有效的控制所需要的溫度，很難快速、精確地采樣溫度而造成在傳輸數據的過程中存在誤差，本文采用增量式PID算法的恒溫控制系統，它在提高測量溫度精確性方面有較好的效果，在控制效果方面有良好的把握。

關鍵詞：增量式；PID算法；數據采集；恒溫控制系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-02

溫度是我們常用的重要的物理量，它存在于我們日常生活中任何一個角落，而在科研工作中和工業生產過程中，溫度的控制和測量是決定制備產品的關鍵。軟件部分和硬件部分構成了基于增量式的PID算法的恒溫控制系統，增量式PID算法控制了軟件部分，將其參考數值設定為最適合的數值，通過對控制算法和控制軟件相結合的方式進行設計，綜合控制系統的溫度，使其達到理想的控制效果。

一、恒溫控制系統的概述

恒溫控制系統是由加熱器、恒溫箱、溫度傳感器、溫度控制器、電源以及繼電器組成的。它主要包括控制裝置和檢測儀表兩大部分，從而實現溫度的采樣、改變、控制，使溫度設定在公司企業所要求和人們所需要的溫度。

（一）恒溫控制系統的研究意義

隨著我國科學技術的迅猛發展呢，溫度是工業生產中的最主要的一個過程變量。在各個工廠，如食品加工業、冶金工業、機械制造業等眾多產業中，對溫度進行有效的控制是現在生產的關鍵所在。但是，用傳統的控制方法很難達到產品所需要的要求，它具有局限性，不能很好的控制溫度。然而基于增量式的PID算法的恒溫控制系統在操作過程中具有簡單、方便的優點，制作的產品具有質量高、數量大的優點，同時它還能在實踐中提高測量溫度的精確性，使控制效果得到較好的提升。

（二）恒溫控制系統的工作過程

首先設定一個預定的溫度，從而使要加熱的對象在加熱器的作用下產生熱量。第二，溫度傳感器會在溫度達到指定數值的時候將信號傳給溫控器，進而繼電器收到溫控器傳來的斷電的指令，因此發熱器終止其工作，恒溫箱在余熱的影響下，其溫度會保持在一定的范圍內，當溫度下降時，傳感器會將加熱的信號給溫控器，再次通過繼電器控制發熱體工作。基本上，發熱器是斷斷續續工作的，工作電源低通高停。

（三）恒溫控制系統的功能概述

恒溫控制系統的檢測控制中心是AT89C52單片機，對于溫度的變化，工業上經常采用增量式PID算法，因為它的算法精準，容易計算。它不僅能及時的調整溫度的大小，還能精準的控制溫度，同時還設計了實時顯示溫度和預定溫度的顯示。通過精準的計算手法和迅速的調節來達到人們所需要的保持的溫度。

二、增量式PID算法的計算原理

所謂增量式PID控制算法就是一種工業控制算法，PID的含義分別是比例、積分、微分這方面的內容。控制量的絕對值不是執行機構所需要的，而當執行機構需要控制量的增量時，就需要用PID的“增量算法”，原理如圖1所示。

（一）比例

所謂比例，就是通過設定溫度的大小，在設定值的上下做比例動作的過程，溫度與功率呈反比例變化，功率的大小隨著溫度的變化而變化，但變化的多少要根據比例區間的大小和溫差值的比例來計算。它的主要作用是系統的偏差信號能被成比例的反應及時地控制，一旦偏差信號產生，調節器就能及時的做出反應來減少偏差的產生。

（二）積分

積分是另一種反比例關系，它是指設定的值與溫度偏差值的累積值的關系。但在清除溫度偏差的累計值時，要掌握好清零的時間。當溫度低于之前設定的溫度值很多時，為了能迅速的達到預定的溫度，就要加大功率。它主要作用就是提高系統的誤差度，消除靜態誤差。

（三）微分

表示溫度的變化量與時間的比值再與功率的比值就是微分的定義式，也就是說，當溫度的變化量隨時間的變化過快，就通過加大功率來減緩溫度的變化率。微分環節不僅能反應偏差信號的變化快慢的趨勢，還能在系統中提前引入一個修正值，使偏差信號值不至于變得更大，同時為調節器減少調節時間。

三、在恒溫控制系統中增量式PID算法的作用

基于增量式PID算法的恒溫控制系統采用軟硬結合的方式實現對溫度的控制。在硬件方面主要由溫度轉換電路、顯示電路以及由繼電器組成的驅動電路構成。在軟件方面采用PID算法的編程達到精確控制電路的目的，從而使溫度能穩定的保持在一定的范圍內。

（一）硬件方面

在硬件設計過程中起主要作用的電路就是溫度轉換電路，在電路中一般都是由數字信號來控制電路的正常運行，它主要就是先將非物理量通過電路變換成模擬信號，再將模擬信號經由模數轉換器變成數字信號。我們采用AT89C52單片機為檢測中心，來檢測溫度的大小從而傳到溫度轉換器中實現對溫度的轉化，進而控制電路的也運行。顯示電路則主要是為了讓人們能隨時清楚溫度的變化，通過設置電路的各種參數來顯示出當前的溫度值。驅動電路是由固態繼電器組成的，而繼電器則是一種沒有觸點的開關器件，它能用很小的電氣信號來控制大功率的設備，從而達到隨時驅動或斷開加熱器的目的。

（二）軟件方面

采用增量式PID算法的數字控制溫度是工業上經常用的軟件設計方法，與傳統的計算方式相比，精度高、靈活性好是這種計算方式的優勢，同時能極大的減小超調量，從而可以有效的克服積分飽和帶來的影響。大多數人都知道PID數字控制調節器是一種線性調節器，它的算法簡單，可靠性能高，很容易被人們所掌握，可以對日后的維護帶來方便。

四、結束語

增量式PID算法的恒溫控制系統是現代我國工業采用最好的恒溫控制系統，它采用軟硬結合的方式，改善了傳統恒溫控制系統存在的一些問題，例如溫度不能及時顯示在屏幕上，沒法準確的控制的溫度的變化。但是，采用增量式PID算法的恒溫控制系統的算法精準，容易計算，便于操作，對日后維修工作帶來了方便，對于提高測量溫度精確性有較好的結果，對于控制效果有良好的把握。

參考文獻：

[1]孫士明，劉新平，紀友芳.生產工藝流程中基于PID算法的溫度控制方法[J].科學技術與工程，2011（24）.

[2]杜井慶，高世橋，羅創.基于PID算法的控制量按任意函數變化的一種控制方法[J].儀器儀表學報，2011（06）.

[3]張惠榮，王國貞.基于智能數字PID算法的熱風爐溫度控制系統[J].河北冶金，2006（03）.

[作者簡介]叢夢龍（1983-），男，滿族，內蒙古通遼人，講師，博士，2011年畢業于吉林大學電子科學與工程學院，現工作于內蒙古民族大學物理與電子信息學院，主要從事光電信息檢測及自動控制方面的研究；孫丹丹（1983-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助教，碩士，2009年畢業于吉林大學電子科學與工程學院，現工作于內蒙古民族大學物理與電子信息學院，主要從事模糊邏輯及嵌入式開發方面的研究。