溫度控制器的PID數(shù)字化實現(xiàn)探討

單祥 胡海濤 李春鵬

摘要：現(xiàn)代測溫系統(tǒng)中廣泛使用的是基于PID調(diào)節(jié)的溫控器，該技術(shù)具有實現(xiàn)簡單、可消除穩(wěn)態(tài)誤差等優(yōu)點，但市場上大多數(shù)該類儀器都是利用模擬PID控制器實現(xiàn)對溫度控制的，而利用計算機軟件來實現(xiàn)PID控制算法比模擬PID控制器具有更大的靈活性和可靠性。基于此，文章在模擬PID控制器的基礎(chǔ)上研究了數(shù)字化PID控制器的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：溫度控制器；PID技術(shù)；數(shù)字化；現(xiàn)代測溫系統(tǒng)；計算機軟件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP272 文章編號：1009-2374（2016）18-0040-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.021

近些年，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科學技術(shù)的進步，電阻爐在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中逐漸得到廣泛應用，不管是在冶金、電力行業(yè)，還是在石油化工及機械行業(yè)，其重大技術(shù)經(jīng)濟指標都離不開電阻爐的應用。電阻爐對溫度控制的穩(wěn)定性及可靠性對各大工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展起到重要的影響作用，且其溫度測量與控制技術(shù)漸漸成為當前科技發(fā)展的重要技術(shù)之一。但在實際溫度測控中，電阻爐存在較強的干擾性與滯后性，且電加熱爐在升溫控制中存在一定的單向性與時變性，因此僅僅采用數(shù)學方法很難保證參數(shù)的精確性。對溫度的有效控制對整個活動起到最直接的影響作用。因控制對象多、存在因素復雜，使得溫控手段更加多樣化。在各種溫控方法中，PID控制技術(shù)憑借其可有效避免穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)勢，能夠在很大程度上滿足相關(guān)系統(tǒng)的應用需求，數(shù)字化PID技術(shù)更是以其比模擬化PID技術(shù)更靈活、可靠的特點得到大家的青睞。本文就以溫度控制器的數(shù)字化PID實現(xiàn)為題來分析研究其實現(xiàn)過程。

1 數(shù)字化PID溫控器設計總述

數(shù)字化PID溫控器的整體設計示意圖如圖1所示。在這個以STC89C52單片機為核心的系統(tǒng)中，可以加熱的電加熱爐為控制對象，實時溫度值為被控參數(shù)，電加熱爐的預置溫度可以在系統(tǒng)控制面板上通過幾個相關(guān)的按鍵來設置，電加熱爐的實時溫度通過熱電偶采集微弱的電壓信號，經(jīng)過信號放大和單片機的數(shù)據(jù)采集和模擬量輸入，單片機會用內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID控制算法，PID的輸出會作用于包含雙向晶閘管的驅(qū)動電路，實現(xiàn)對電加熱爐的功率調(diào)節(jié)。

2 硬件選型

2.1 單片機

STC89C52是采用Intel80C31內(nèi)核的8位單片機，價格非常低廉，具有高性能、低功耗的特點，正常工作模式時的典型功耗僅為4～7mA，在引腳排列、硬件資源，指令系統(tǒng)上均完全兼容MCS-51系列單片機。本文就采用該款芯片，實驗證明它能出色地完成程序設定的任務。

2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊

由于熱電偶輸出的電壓信號為模擬量，為了使其信號能被單片機識別，需要進行A/D轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換芯片上，本文選擇逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可輸入8個模擬量。單極性，量程為0～5V。外接CLK為640kHz時，典型的轉(zhuǎn)換速度為100μs。片內(nèi)帶有三態(tài)輸出緩沖器，數(shù)據(jù)輸出端可直接與數(shù)據(jù)總線相連。其性價比有明顯的優(yōu)勢，可應用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業(yè)控制領(lǐng)域。

2.3 測溫元件

本系統(tǒng)所應用的溫度傳感器為WRNM-0l的K型熱電偶。熱電偶主要對-50～1100范圍內(nèi)的不同形態(tài)靜態(tài)物體的表面溫度進行測量。

2.4 運算放大器

熱電偶對毫伏級別的電壓信號進行采集，信號相對較為微弱，需要采用差分運算放大器對電壓信號進行適當放大，使其能夠被單片機有效接收與處理。

本系統(tǒng)采用INA118運算放大器（由美國B-B公司生產(chǎn)），屬于一種精密儀表放大器，此類放大器不僅精度高、功耗低，而且工作頻帶寬、共模抑制比高，能夠有效放大各類微小信號。另外，INA118的電流反饋結(jié)構(gòu)具有很大的獨特性，即使增益較高，頻帶寬度也能保持較高水平。

3 數(shù)字化PID溫控器的實現(xiàn)

3.1 模擬PID控制規(guī)律簡介

由比例、積分和微分控制規(guī)律組成的比例（P）控制器、比例積分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器以及比例積分微分（PID）控制器可以用于不同需求的被控對象，獲得比較滿意的控制效果。比例控制器具有階躍響應的特點，比例系數(shù)Kp越小，控制作用越弱，系統(tǒng)響應越慢；反之，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強，系統(tǒng)響應越快。比例控制器雖然反應速度快，但是卻不能消除靜差，而積分控制器能消除靜差，但是動作緩慢，基于此將兩者互補引入了比例積分控制器，在保證足夠反應速度的前提下消除了偏差。積分控制可以消除靜差，但同時也降低了系統(tǒng)的響應速度，當系統(tǒng)具有比較大的慣性和滯后特性時，用PI控制器很難得到較理想的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的超調(diào)和振蕩，這時可以在PI控制器中加入微分控制，在偏差剛出現(xiàn)或變化的瞬間就產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使得系統(tǒng)可以根據(jù)偏差量的變化趨勢提前給出控制作用（即微分控制作用），從而大大減小系統(tǒng)的動態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)得以改善。本文中的PID溫控器即是基于此原理來設計制造的。

3.2 PID控制規(guī)律的數(shù)字化實現(xiàn)算法

本文采用位置式PID控制算法，首先應將模擬PID控制算式進行數(shù)字化處理，然后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)字PID控制。為了得到離散數(shù)據(jù)，要對連續(xù)信號進行離散化處理，設定處理器每隔時間T對連續(xù)信號采樣一次，通過數(shù)值逼近的方法來完成離散化處理。當采樣周期T比較小時，積分相可用求和近似代替，微分項可用后項差分近似代替，于是有：

（1）

式中：t=kT，k=0，1，2，…；T為采樣周期；k為采樣序號；e（kT）簡寫成e（k），即省去T。

將式（1）代入式（2）中：

（2）

可得下列數(shù)字化的PID控制算式：

（3）

式中：u（k）為第k次采樣時刻計算機運算的控制量；e（k）為第k次采樣時刻的偏差量；e（k-1）為第k-1次采樣時刻的偏差量。

由式（3）計算得到的控制量u（k）可直接用于控制執(zhí)行機構(gòu)的位置，u（k）的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置是一一對應的。

3.3 位置式PID控制算法的程序編寫

控制算法的編寫采用Keil C51編寫，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。因其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試功能得到了大家的青睞。首先對KP、TI、TD和T等參數(shù)進行設置，通過傳感器對r（k），y（k）等參數(shù)采樣輸入，然后單片機按照圖2框圖中所示的算法對這些數(shù)據(jù)進行運算處理，最終輸出適當?shù)目刂屏浚瓿蓪囟鹊恼{(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)語

不管是在冶金、電力行業(yè)，還是在石油化工及機械行業(yè)，其重大技術(shù)經(jīng)濟指標都離不開電阻爐的應用。電阻爐對溫度控制的穩(wěn)定性及可靠性對各大工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展起到重要的影響作用，且其溫度測量與控制技術(shù)漸漸成為當前科技發(fā)展的重要技術(shù)之一。本文通過對基于PID控制原理的溫度控制器的數(shù)字化分析，具體闡明了溫控器的PID數(shù)字化設計相關(guān)技術(shù)原理。在硬件上，力求選用價廉質(zhì)優(yōu)、低功耗、高性能的電子元件。基于數(shù)字化PID技術(shù)設計的溫度控制器可實現(xiàn)對溫度的實時高效調(diào)控，市場應用價值相當寬廣，目前在電阻爐、工業(yè)化工溫度控制、實驗室溫控系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)溫室大棚溫度控制等領(lǐng)域都有很好的應用。本文所論述的數(shù)字化PID溫控技術(shù)更是具有非常高的商業(yè)應用價值和發(fā)展前景。

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（責任編輯：蔣建華）