基于PID算法的實驗室用恒溫數字控制系統設計

白顯會

摘要：本系統控制算法采用了PID增量式算法，溫度傳感器AD590來檢測溫度，測溫電路把溫度變化轉換成電壓變換，通過A＼D轉換后送入溫度數字控制器與給定值進行比較。經控制器控制運算后得到可控硅合適的觸發脈沖，從而調節加熱器或風扇兩端的電壓形成控制作用，達到溫度保持恒定的目的。

關鍵詞：控制器;PID控制算法;AD590;A＼D轉換;可控硅;觸發脈沖。

在工農業生產過程中，廣泛存在需要保持恒溫的溫度控制系統。PID控制器具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便的的優點，是工業過程控制中一種廣泛采用的控制方法，已從模擬控制發展到數字控制，技術還在不斷提高，并且積累的經驗也越來越多。由經驗表明：在連續控制系統中，當對象為一階和二階慣性環節或同時帶有滯后時間不大的滯后環節時，PID控制算法是一種比較好的控制方法。而溫度對象一般都可以看作是帶純滯后時間的一階慣性環節，用PID控制算法就可以對其進行很好的調節。本文采用數字PID算法來設計了一恒溫數字控制系統，可應用于實驗室孵蛋箱、細菌培育箱等需要恒溫控制的地方。

1系統概述

系統采用溫度檢測電路檢測溫箱內的溫度，所得到的檢測信號經A/D轉換器轉換后送入PID控制器與系統給定值比較得出偏差，經過控制器控制運算后得到可控硅合適的觸發脈沖，由這個脈沖控制可控硅的導通，從而達到溫箱溫度保持恒定的目的。

2恒溫數字控制系統的構成

恒溫數字控制系統包括硬件和軟件兩部分。硬件是數字控制系統的物質基礎。它在軟件的協調下運行，實現對被控對象參數的檢驗，完成對被控對象的控制任務。硬件包括：主機，外部設備，傳感器和變送器，功率放大和執行機構，模擬量輸入通道，模擬量輸出通道，開關量輸入和輸出通道，接口電路和電源。控制系統的軟件，指的是它的全部程序，包括系統軟件和應用軟件兩大類。

3恒溫控制系統的軟硬件設計

3.1系統原理設計

該系統的原理圖如圖3.1-1所示。我們把采集來的溫度值經過數字化處理后與給定值比較，得到的差量作為PID控制器的輸入，由PID控制器的輸出來控制可控硅。

根據原理圖我們可設計出硬件電路，本系統利用AD590溫度傳感器電路把溫度采集量轉換成0～5V的電壓，再由A/D變換器變成數字信號后，送給控制器80C52單片機。單片機根據系統給定的溫度和實際測量的溫度求出系統偏差e，再利用PID算法求出控制量U（k）。通過U（k）來決定輸出觸發脈沖的寬度，從而控制可控硅的導通時間最終達到控制溫度的目的。還有用8255A芯片來擴展I/O口，PA口接測量顯示的LED，PB口接給定溫度顯示的LED，PC口控制LED數碼管的選通，8255A的地址通過鎖存器74L373選擇，這樣就很好的解決了單片機端口資源不足的問題，并且各個模塊功能清晰。系統還具有溫度預警提示功能。

3.2對象分析

假如我們對一個具體被控對象溫箱的靜態和動態特性進行研究的話，可以發現該系統存在儲能元件，使系統對外界的作用具有一定的慣性（這種慣性在我們的控制系統里面用一個慣性時間常數T來描述）。在加熱和降溫過程中，會因加熱絲的物理特性和對象的升溫特性等原因引入一些時間過程上的滯后（這種時間過程上的滯后在我們的控制系統里面用一個過程時間滯后常數 來描述）。實驗和經驗表明，溫箱對象都可近似看做是帶純滯后的一階純滯后環節，所以得出恒溫數字控制系統的對象傳遞函數為：

或? ? ? ? ? ? ? ? ? （3.2-1）

式中為純滯后時間，它比T1，T2小得多。在我們恒溫控制系統中，總會存在外界的干擾以及系統本身各種參數的變化，這些參數的變化可能使系統的性能變差。為了改善系統的性能，提高系統的調節品質，我們除了按偏差的比例調節外，引入偏差的積分，以克服余差，提高控制精度，加強系統對參數變化的適應能力。另外，我們引入偏差的微分來克服慣性上的滯后，以提高系統的抗干擾能力和穩定性。所以根據對象的特性我們采用了PID算法作為我們此系統的控制算法。

3.3數字PID算法程序設計

數字PID算法一般常用的算法有位置式算法、增量式算法。根據我們對溫度對象的分析這里我們采用增量式溫度算法來設計程序。PID控制的理想微分方程為：

（3.3 -1）

式3.3-1中，e（t）=x（t）-y（t）稱為偏差值，可作為調節器算法的輸入值，其中x（t）為給定值，y（t）測量值， 為比率系數; 為時間常數; 為微分時間常數; 為調節器的控制電壓信號。但計算機只能處理數字信號，故上述數學方程必須加以變換。若設溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸出偏差為 ，調節器輸出為 ，則有：

這樣3.3-1式可寫成U（k）=U（K-1）+PP+PI+PD（根據此式可寫出PID控制程序）。

4結語

本系統算法采用了PID增量式算法，做到了超調量盡可能的小， PID控制器的具有結構簡單、魯棒性強、參數易于調整、自適應能力強等特點，在生產過程控制系統中是一種最普遍采用的控制方法[4]。在工業過程控制中，由于很難建立對象的精確數學模型，系統的參數又經常發生變化，所以人們往往采用PID控制技術，參數根據經驗進行在線調整，從而得到滿意的控制效果。硬件電路的微控制器采用了80C52單片機，設計過程采用層次化設計。本恒溫控制系統滿足了實驗室細胞、細菌等的培養對溫度控制的要求，如果有不完善的地方希望同行指正！

參考文獻：

[1]胡壽松. 自動控制原理（第五版）[M]. 北京：科學出版社，2019

[2] 余永全，汪明慧等.單片機在控制系統中的運用[M].北京：電子工業出版社，2003

[3] 李正軍.計算機控制系統（第3版）[M].北京：機械工業出版社 ，2015

[4]余孟嘗. 數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1999