基于雙PID控制的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

袁　鑫，薛霖霖，鄭都民，王如剛，*，趙　力

（1.鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城224051；2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

基于雙PID控制的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

袁鑫1，薛霖霖1，鄭都民1，王如剛1，2*，趙力2

（1.鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城224051；2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

為了使半導(dǎo)體激光器能夠快速地達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種串聯(lián)雙PID控制的高精度熱電制冷器（TEC）溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾MC9S12XS128MAL單片機(jī)，通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行溫度信息的采集，驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7971芯片驅(qū)動(dòng)TEC工作，在軟件編程上，通過(guò)采用串聯(lián)PID算法，利用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從26.6℃上升到目標(biāo)溫度40℃時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為40 s，超調(diào)量為0.1%，當(dāng)溫度從26℃下降到10℃時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為50 s，與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

溫度控制；熱電制冷器；PID控制；自調(diào)整；PWM控制

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，使得半導(dǎo)體激光器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感和激光雷達(dá)等領(lǐng)域。由于激光器的輸出波長(zhǎng)隨著器件溫度的升高逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，同時(shí)，在高度集成化的器件結(jié)構(gòu)中，過(guò)高的溫度將會(huì)降低元器件的性能，甚至燒毀元器件，在很大程度上降低了電子器件的穩(wěn)定性和可靠性［1-2］。因此，必需對(duì)半導(dǎo)體激光器或系統(tǒng)采用合適的溫度控制技術(shù)，從而保證半導(dǎo)體激光器或系統(tǒng)能夠正常工作。為此，研究人員在半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)方面做了大量的研究工作，主要是利用DSP或者單片機(jī)等處理器進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，獲得了一定的進(jìn)展［3-8］。例如，夏金寶［8］等研究人員利用MSP430單片機(jī)進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了0.2℃的控制精度。為了進(jìn)一步提高溫度控制系統(tǒng)性能，相關(guān)學(xué)者針對(duì)溫度控制系統(tǒng)提出了多種控制算法［9-11］，戴俊珂［9］等人提出了自整定模糊PID算法的LD溫度控制系統(tǒng)，楊智［10］等學(xué)者采用模糊PID控制的方法應(yīng)用于試驗(yàn)箱，相對(duì)常規(guī)PID控制，該算法具有更快的響應(yīng)速度以及更小的超調(diào)，馮晨純［11］等人利用模糊PID算法，仿真了粘度儀恒溫系統(tǒng)，仿真結(jié)果顯示積分分離PD和模糊自適應(yīng)PID相結(jié)合的復(fù)合算法具有較小的超調(diào)量，這些研究對(duì)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展取得了較大的進(jìn)步。

實(shí)現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的必要條件，在實(shí)現(xiàn)該條件時(shí)，需要利用外部的高能量注入，這樣就需要對(duì)激光增益介質(zhì)進(jìn)行精密的溫度控制，此外，隨著溫度的變化，激光器輸出波長(zhǎng)也將隨之變化。因此，為了使半導(dǎo)體激光器能夠快速的達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，降低溫度的穩(wěn)態(tài)時(shí)間，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種串聯(lián)雙PID控制的高精度熱電制冷器（TEC）溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾MC9S12XS128MAL單片機(jī)，通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行溫度信息的采集，驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7971芯片驅(qū)動(dòng)TEC工作，在軟件編程上，通過(guò)采用串聯(lián)PID算法，利用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

1.1控制單元設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、液晶顯示器、鍵盤(pán)輸入、熱電制冷器（TEC）芯片、TEC驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器電路及其驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)核心處理單元采用飛思卡爾公司16 bit控制器MC9S12XS128MAL，該芯片具有16 bit S12CPU、CPU總線頻率是40 MHz，可以超頻到64 MHz，全功率模式下單電源供電范圍3.15 V～5.00 V，可設(shè)置8 bit、10 bit和12 bit ADC，具有高性能的12 bit AD轉(zhuǎn)換器。微控制器通過(guò)AD模數(shù)轉(zhuǎn)化器采集激光器的溫度，并利用PID控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷片的TEC電壓值和PWM脈沖。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制和響應(yīng)時(shí)間最小值，并保證系統(tǒng)在穩(wěn)定后所消耗的電功率最少，系統(tǒng)采用微控制器I/O端口調(diào)節(jié)電壓和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM脈沖輸出相結(jié)合的方式。且該控制器芯片的PWM調(diào)制波有8個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出，都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器，每一個(gè)PWM輸出通道都能調(diào)制出占空比從0～100%變化的波形。電壓調(diào)節(jié)控制制冷片最大輸出工作電壓，PWM脈沖的寬度控制TEC的加熱或制冷時(shí)間，驅(qū)動(dòng)電路的電流流向控制著TEC工作方式。

1.2溫度采樣模塊

以溫度作為反饋量的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，測(cè)溫元件的靈敏度和分辨率對(duì)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。熱敏電阻依照其電阻值隨溫度變化的情況，主要分為負(fù)溫度系數(shù)NTC（Negative Temperature Coefficient）熱敏電阻和正溫度系數(shù)PTC（Positive Temperature Coefficient）熱敏電阻［12］。PTC的電阻值可以隨溫度的上升而增大，由于其溫度系數(shù)非常大，主要應(yīng)用于消磁電路、加熱器、電路保護(hù)和溫度補(bǔ)償電路，NTC的電阻值可以隨溫度的上升而下降，可以檢測(cè)微小的溫度變化，因此被廣泛的應(yīng)用于溫度的檢測(cè)電路、電路軟啟動(dòng)、控制與補(bǔ)償電路。此外，NTC還具有電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，電阻率高，熱慣性小等優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇NTC作為溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。NTC熱敏電阻阻值與溫度變化的關(guān)系式為［8］：

其中RT為在規(guī)定溫度T時(shí)的NTC熱敏電阻阻值，RN為在額定溫度TN時(shí)的NTC熱敏電阻阻值，B為NTC熱敏電阻的材料系數(shù)，RN通常用額定零功率電阻值R25表示，額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度25℃時(shí)測(cè)得的電阻值，這個(gè)電阻值就是NTC熱敏電子的標(biāo)稱電阻值。NTC實(shí)測(cè)電阻值與溫度的關(guān)系如表1所示。

表1　熱敏電阻實(shí)測(cè)溫度值

根據(jù)式（1）和表1可以計(jì)算出NTC熱敏電阻的材料系數(shù)B的值為3 900 K。由于傳感器直接輸出的模擬量幅度一般較低，同時(shí)為了更好地提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在溫度傳感器的后端對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大電路采用的是由OPA842組成的放大電路完成放大，經(jīng)過(guò)放大后輸出給AD轉(zhuǎn)換器，其具體溫度采樣電路如圖2所示。在溫度采樣電路中，10 kΩ的NTC熱敏電阻與10kΩ電阻串聯(lián)在高精度2.5 V電壓源與地之間，通過(guò)分壓間接得到NTC阻值。A/D芯片是16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1859，采用5 V電壓工作模式。

圖2　溫度采集電路

1.3驅(qū)動(dòng)電路模塊

驅(qū)動(dòng)電路模塊是溫控系統(tǒng)的核心模塊，為保證高精度地控制溫度，溫控執(zhí)行元件必須容易控制，而且為了與LD封裝在一起，還需溫控執(zhí)行元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。因此，選擇半導(dǎo)體致冷器（TEC）作為溫控執(zhí)行元件。TEC是利用帕爾帖效應(yīng)的裝置，通過(guò)控制TEC電流的方向可以控制其吸熱還是放熱，但是TEC的電流一旦超過(guò)某值，就只是發(fā)熱而不再制冷，因此應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。若TEC過(guò)壓、過(guò)流，容易造成激光器損壞。只有集成了控制電路和保護(hù)功能的專用芯片才能完成精確溫度控制的任務(wù)，因此該系統(tǒng)選用了BTN7971用于控制TEC的芯片。BTN7971是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流、半橋高集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求，因而減小了EMI（電磁干擾）。BTN7971集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能。通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43 A。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路模塊如圖3所示。

圖3TEC驅(qū)動(dòng)電路

該電路采用兩片BTN7971構(gòu)成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)，由于BTN7971是大電流驅(qū)動(dòng)芯片，因此，在單片機(jī)控制信號(hào)的輸出和BTN7971的IN端之間加入了雙通道邏輯輸出高速光耦HCPL-2630電路起到隔離保護(hù)的作用，防止電路出現(xiàn)過(guò)流、短路等故障時(shí)，大電流流入單片機(jī)使單片機(jī)損壞。從2個(gè)BTN7971輸出的兩個(gè)PWM波的高低電平控制TEC的加熱或者制冷，當(dāng)其中一個(gè)BTN7971（IC2）的PWM波電壓高于另一個(gè)BTN7971（IC1）的PWM波電壓時(shí)，電流從TEC+流向TEC-，同理也可提供從TEC-流向TEC+的電流，能夠?yàn)門EC提供雙向電流。

1.4雙PID控制算法設(shè)計(jì)

PID控制算法是工程控制領(lǐng)域常用的一種算法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高精度溫度控制系統(tǒng)中常采用PID控制，PID算法連續(xù)系統(tǒng)的表達(dá)式可以表示為［7］：

其中Kp為比例作用系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度，Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，Kp取值過(guò)小，則會(huì)降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，使系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變差；Ki為積分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，但Ki過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)，若Ki過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；Kd為微分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)的過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)，但Kd過(guò)大會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。e（t）為設(shè)定量和實(shí)際輸出量之間的偏差，由此可以看出PID算法其實(shí)是對(duì)偏差的控制過(guò)程，系統(tǒng)使用的微處理器只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算輸出控制量，因此，PID算法要離散化，離散后的PID算法表達(dá)式

其中k為采樣序列號(hào)，T為采樣時(shí)間。從式（3）可以得出增量PID算法的表達(dá)式為：

從式（4）可以看出增量PID算法控制的只是系統(tǒng)輸出量的增量Δu（k），并且Δu（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。由上述分析可以看出Kp、Ki和Kd變化對(duì)系統(tǒng)的影響，若系統(tǒng)只取一組固定的Kp、Ki和Kd值，那么當(dāng)偏差變化時(shí)系統(tǒng)則不能及時(shí)應(yīng)對(duì)，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的PID算法的溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　雙PID溫度控制結(jié)構(gòu)

由圖4可以看出，與常規(guī)的PID溫度控制器相比，該設(shè)計(jì)利用兩個(gè)串聯(lián)的PID控制和一個(gè)溫度反饋環(huán)節(jié)，第1個(gè)PID控制器首先對(duì)反饋的溫度量進(jìn)行粗略調(diào)節(jié)，而通過(guò)第2個(gè)PID控制器對(duì)溫度進(jìn)行精細(xì)的控制，通過(guò)兩次的控制可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于每一個(gè)PID控制部分，設(shè)定量和實(shí)際輸出量之間的偏差|| e（t）的值比較小時(shí)，為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，在Kp和Ki選取時(shí)，偏向大一點(diǎn)的數(shù)值；當(dāng)偏差|e（t）|的值中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)超調(diào)量變得更小，Kp應(yīng)取小一點(diǎn)的數(shù)值，在這種情況下，Kd取值的大小對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)比較大，因此，Kd的取值要適當(dāng)；當(dāng)偏差|e（t）|的值比較大時(shí)Kd可以取小一點(diǎn)的數(shù)值；當(dāng)偏差較大時(shí)，為了使系統(tǒng)能更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時(shí)為了不產(chǎn)生較大的超調(diào)量，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0。

2　結(jié)果與分析

當(dāng)環(huán)境溫度為26.6℃，設(shè)定的溫度為40℃時(shí)，分別利用常規(guī)單一PID控制器和雙PID控制器控制TEC，被測(cè)物體的溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，為了更清晰地反映常規(guī)單一PID和雙PID控制曲線的區(qū)別，將圖形曲線進(jìn)行了放大嵌入在圖的內(nèi)部。

圖5　雙PID和單一PID控制的溫度響應(yīng)曲線

從圖5可以看出，雙PID控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間約為40 s，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)；而常規(guī)單一PID控制在28 s時(shí)出現(xiàn)最大超調(diào)，超調(diào)量約為1.6℃，之后溫度出現(xiàn)波動(dòng)，到100 s時(shí)系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定，之后系統(tǒng)具有一定的誤差。因此，驗(yàn)證了帶有雙PID控制的快速性和穩(wěn)定性，特別適用于對(duì)超調(diào)量要求苛刻的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用表2進(jìn)行表示。從圖4和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)在升溫控制方面，相對(duì)于常規(guī)的PID控制，雙PID控制有較快的效應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，使溫度控制系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越。

表2　兩種算法的性能參數(shù)比較　單位：s

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的降溫性能，當(dāng)環(huán)境溫度為26℃，設(shè)定要控制的溫度為10℃時(shí)，利用該雙PID控制器控制TEC工作，被測(cè)物體的溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示，從圖6可以看出，溫差下降16℃的情況下，雙PID控制器的降溫調(diào)節(jié)時(shí)間約為50 s，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。從升溫和降溫的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，提出的雙PID溫度控制系統(tǒng)具有較好的溫度控制功能，且系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量。

圖6　雙PID控制的降溫響應(yīng)曲線

3　結(jié)論

為了使半導(dǎo)體激光器能夠快速地達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種串聯(lián)雙PID控制的高精度熱電制冷器（TEC）溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾MC9S12XS128MAL單片機(jī)，通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻進(jìn)行溫度信息的采集，驅(qū)動(dòng)電路采用BTN7971芯片驅(qū)動(dòng)TEC工作，在軟件編程上，通過(guò)采用串聯(lián)PID算法，利用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度從26.6℃上升到目標(biāo)溫度40℃時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為40 s，超調(diào)量為0.1%，當(dāng)溫度從26℃下降到10℃時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為50 s，與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

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袁鑫（1994-），男，漢族，江蘇泰州人，鹽城工學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與信息處理等，610732469@qq.com；

王如剛（1975-），男，漢族，江蘇睢寧人，東南大學(xué)信息學(xué)院，博士，副教授，主要從事光電子技術(shù)方面的研究，wrg3506@ seu.edu.cn。

Design and Implementation of Temperature Control System Based on Double PID Control*

YUAN Xin1，XUE Linlin1，ZHEN Dumin1，WANG Rugang1，2*，ZHAO Li2
（1.School of Information Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China；2.School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order to enable the semiconductor laser to achieve a stable working state quickly，a high precision Thermoelectric Cooler（TEC）temperature-controlled circuit is proposed and experimentally demonstrated by using series double PID，a microcontroller of Freescale Semiconductor MC9S12XS128MAL is used in the controlled circuit，and a negative temperature coefficient thermistor is used to collect temperature information，the TEC chip is derived by the driving circuit with two BTN7971 chip to drive the TEC work，in the software programming，the stability control of the temperature is realized by using the PID algorithm and the closed loop negative feedback structure.In the experiment，when the temperature rises from 26.6℃to 40℃，the stabilized time is within 40 s，and the overshoot is about 0.1%，and when the temperature drops from 26℃to 10℃，the stabilized time is about 50 s.Compared with the conventional PID control system，the system has better dynamic performance.

temperature control；thermoelectric cooler；PID control；self-regulatory；PWM control

TP273

A

1005-9490（2016）05-1135-05

項(xiàng)目來(lái)源：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2015021）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性項(xiàng)目（BY2015057-39）；江蘇省高校自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（14KJB510034）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015M571637）；鹽城工學(xué)院人才引進(jìn)資助項(xiàng)目（KJC2013014）

2015-10-31修改日期：2016-01-22

EEACC:7320R10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.023