利用分段PID算法研制小型溫控腔體

朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學院物理與電子科學學院，安徽阜陽 236041

利用分段PID算法研制小型溫控腔體

朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學院物理與電子科學學院，安徽阜陽 236041

文章介紹了利用分段PID算法研制的小型溫控腔體，通過實測控制精度達到±0.2℃，溫度的上沖不超過1℃，確保腔體內放置的激光頭功率穩定。

PID；腔體；激光

溫度控制廣泛應用到激光器[1]、電爐[2]、熱處理和偏光顯微鏡熱臺等方面，其中多數控制都是采用PID方法，并在實踐中取得了較好的效果[1]。設計物理光學實驗系統往往需要小型半導體激光頭發射功率相對穩定。由于實驗室溫度的變化會影響激光頭發射的功率進而影響實驗效果，為此開發了一個溫控小腔體來實現激光頭的工作溫度控制在一個相對恒定的區間。

1 PID控制算法簡介

溫度控制領域在近幾十年來提出了很多的方案，其中PID控制算法具有實現易、控制效果佳和魯棒性強等特點得到廣泛的應用[3]。加之溫度控制中被控對象的結構和參數由于外界的變化和測溫點的選取不同難以掌握并獲得精確的數學模型，最適用采用PID算法。

PID控制表現為通過測量系統的偏差e(t)和偏差的變化de(t)和累計來調整輸出u(t)，其中kp,kd,ki分別為比例因子、微分因子和積分因子。通過合理的選擇合理的因子就能獲得較好的控制效果。

2 溫控腔體的硬件實現

小型溫控腔體硬件設置如圖1所示。系統分為加熱和控制兩個部分。其中控制部分采用5V供電，加熱部分采用24V供電，保障學生實驗過程中的安全。控制核心芯片采用基于ARM? Cortex?-M4內核Freescale K60處理器，控制溫度為略高于當日最高室溫，加熱采用加熱片對稱均勻加熱。溫度傳感器PT1000通過電橋形成電壓信號，經ADS1112采集后通過I2C接口發送給主控芯片。主控芯片除了驅動串口屏顯示當前溫度和最近30次控制的溫度變化外，還通過串口發送給上位機進行記錄。為了方便對溫度和控制參數進行調整，該方案還設計了按鍵。

3 軟件實現和結果分析

考慮到室溫在一天中的變化，利用實時時鐘預測當天最高溫度，并在此基礎上提高5℃為系統當天工作的設定溫度。軟件控制的目的一是要能快速的達到系統設定的溫度；二是不能有較大的上沖；三是溫度的精度要在正負0.2℃以內。

為了實現上述的目標。我們采用三段PID加一段全速加熱的方法來實現控制系統的控制。如圖2所示。當系統溫度和設定的溫度差值較大時，系統采用全功率加熱；落入不同的溫差范圍時設置對應的P、I和D保證溫度控制的高效和穩定。特別是為了防止上沖過高，除調整PID參數還對積分結果進行兩個方面限制。一是加溫進入到PID控制區域內才能開始積分，二是防止前期積分值較高對積分的總量進行限制。

經過實驗獲得了圖3的腔體溫度變化圖，可以看出溫度的上沖不超過1℃，控制精度達到了±0.2℃以內。系統達到穩定工作時間在20min以內，總體指標達到設計目標。

圖1 硬件結構框圖

4 結論

通過采用分段PID算法和對積分的限制實現了對小腔體溫度控制的目標，該方案能很好的應用到需要激光頭功率穩定的實驗中，取得了一定的效果。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0159-01

大學生創新訓練項目（201310371028）安徽省自然科學基金（KJ2012Z307）阜陽師范學院自然基金項目（2010FSKJ06）阜陽師范學院精品課程（2012KFKC06）