PID溫控實驗平臺的設計與應用

李震春 許積文 陳國華 蘇吉青 田志

摘要：本文設計了基于STC89C52單片機的溫度控制系統。開發了PC機測控軟件，通過串口通信實時對實驗平臺發送PID參數、PID控量、PWM周期、目標溫度等控制參數，實時采集并保存來自實驗平臺的溫度數據，并做出溫度曲線。該平臺經過實驗驗證取得了較為滿意的控制效果，可以幫助學生更好地理解和靈活掌握PID控制理論，提高學生的綜合能力和創新能力。

關鍵詞：實驗平臺；溫控系統；測控軟件；PID控量；PWM周期

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0277-02

PID（Proportional Integral Derivative）控制由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于溫度、轉速、流量等工業過程控制[1]。本文根據工科物理實驗課的教學要求，設計了PID溫控參數的優化實驗。

一、實驗平臺的設計

1.數字PID控制原理（略）。

2.系統總體設計方案。系統的總體結構框圖如圖1所示，分為89C52微控制器、上位機軟件、LCD顯示、DS18B20測溫[2]、雙向可控硅及其控制的加熱器。系統啟動后，根據預定或上位機軟件發送來的PID參數、PID控量、PWM周期、目標溫度等控制參數，當采樣周期到達時，由DS18B2檢測容器的實際溫度送給單片機，單片機通過串口再將溫度值傳到上位機實時保存和顯示，并且將采集到的溫度信號與設定溫度值進行比較。當偏差信號大于PID控量時，為了加快加熱速度，雙向可控硅與發熱管處于滿負荷輸出狀態，PID調節器不起作用；當偏差信號小于或等于PID控量時，根據偏差信號及PID參數計算出相應的PWM控制量，從而控制加熱器以多大的功率進行加熱，使容器的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。

3.硬件電路設計。由于電加熱管需要220V供電，因此不能直接連接單片機。由光電耦合器MOC3020和雙向可控硅BTA12-800B組成加熱管控制電路；由雙向可控硅和加熱管串接在交流220V供電回路中形成加熱管工作電路。具體溫度控制電路見圖2。這種溫度控制電路，一方面使得控制端（弱電）與負載端（強電）能有效隔離，提高抗干擾能力，實現小功率控制大功率；另一方面根據位置式或增量式PID算法獲得的計算結果Un（ΔUn），將模擬量轉化為時間量，然后改變給定控制周期內加熱管的導通和關斷時間比例，達到調節溫度的目的，這種控溫原理稱為脈沖寬度調制（PWM）[3]。另外，由于通過可控硅的電流很大，大約為5A，所以做硬件實物時必須接一塊散熱片來保護。

4.程序設計。軟件程序主要由主程序、T0中斷服務子程序構成。主程序主要完成系統初始化，PID參數、PID控量、PWM周期、目標溫度等控制參數的更新，讀取并顯示溫度，由PID計算出加熱時間等工作，其流程圖如圖3所示。T0中斷服務子程序主要完成確定采樣周期、產生讀溫度標志位和控制加熱功率的工作，其流程圖如圖4所示。

5.上位機軟件的設計。在本溫控系統中，以單片機89C52作為下位機，用可視化語言VB編程實現上位機，向用戶提供直接的人機接口管理界面，下位機與上位機通過串口進行通信。通過運行上位機的監控軟件，用戶可方便的對PID參數、PID控量、PWM周期、目標溫度參數等進行在線修改，接收下位機上傳的溫度信息數據，并實時顯示溫度值以及變化趨勢。另外，實際溫度值隨時間變化的數據也可以保存成Excel文檔，方便用戶用其他軟件，如Origin等分析實驗現象。

二、PID溫控參數的優化實驗

數字PID控制器參數的整定必須依靠經驗和現場調試來確定控制器的參數。本實驗系統中PWM周期與采樣周期一樣。PID控量等于設定目標溫度與PID啟動調節的起始溫度之差，由于溫度控制系統是一個慣性較大的系統及溫度傳感器對溫度的檢測也存在一定的滯后效應[4]，如果PID控量過小或過大都可能導致較長時間才能達到設定值甚至難以達到設定值。因此，PWM周期、PID控量的合理設置對溫控效果有極其重要的作用。本實驗利用正交實驗方法研究KP、KI、KD、PID控量、PWM周期等控制參數對溫控效果的影響，實現更優化的PID溫度控制參數。

將PWM周期、PID控量合并為一個因素并記作KT+KC，四個因素的三個水平的取值分別為：KP={1，4，8}，KI={0.1，0.5，1.0}，KD={2，5，8}，KT+KC={1+0.5，2+1，3+1.5}，設計一個L9（34）正交實驗表，如表1所示。將從20℃到穩定在70℃的調節時間內作為本次實驗的實驗指標。利用直觀分析法對數據進行統計，得到的結果見表1。根據各列極差R的計算結果，可得出該控制系統影響控溫效果最為顯著的是KP，然后KC+KT、KD，最后是KI，由此可見，PWM周期、PID控量的合理設置對溫控效果有極其重要的作用，且與理論分析結果相一致。根據k1、k2、k3的計算結果可得出本輪實驗對系統最好的參數取值應該是KP=8，KI=0.1，KD=2，KC=1℃，KT=1s。用此參數實測得到溫控曲線見圖5，其調節時間為550s，超調量為2.7℃，穩態誤差為0.2℃，達到了預期的參數優化效果。

三、結語

實驗結果表明：PWM周期、PID控量的合理設置對溫控效果有極其重要的作用，與理論分析相一致。

參考文獻：

[1]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]余瑾，姚燕.基于DS18B20測溫的單片機溫度控制系統[J].微計算機信息，2009，25（3）：105-106.

[3]高立兵，康雁林.基于AVR單片機的PID溫控系統設計[J].工業控制計算機，2010，23（4）：91-92.

[4]曾光奇.模糊控制理論與工程應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.