基于STM32 的密煉機自整定PID 溫控系統設計

荊中亞，陳為

（青島科技大學自動化與電子工程學院，山東青島 266061）

隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略[1]的實施，密煉機的使用需求越來越大，逐漸成為大型輪胎和制品行業中混煉膠的主要生產設備[2]。密煉機的混煉對環境要求十分嚴苛，對溫度的控制，更是提出了迅速響應和控制精準的要求。為解決人工調整PID 帶來的控溫誤差大[3]、時間長、后期升級困難等問題，該文選用STM32 作為控制器，設計了一套PID 自整定[4]溫度控制系統，在保證系統魯棒性好和超調量小的前提下，構建了一個輕量型的工業智能[5]溫度控制系統。

1 系統方案

1.1 系統工藝

智能溫控設備工藝結構如圖1 所示。

圖1 系統工藝結構圖

該設備生產工藝主要分為兩個部分：冷卻水循環和軟化水循環。軟化水循環部分采用三相加熱器實現對水溫的升高處理。冷卻水循環采用外部水源供水，通過熱交換裝置實現對水溫的降低處理。

根據工藝要求在系統的加熱過程中若出現超溫、超壓的情況，需要及時利用排氣閥對加熱罐進行排氣并輸出報警信號。系統利用壓力、溫度等傳感器作為檢測裝置保證溫控系統的正常運行。

1.2 系統環境搭建

系統采用上位機軟件Keil5 編程，人機畫面采用Kinco HMIware2.5。由于設備為兩通道溫控設備，需要31 個數字量輸入信號，14 個數字量輸出信號，4 個模擬量輸入信號和2 個模擬量輸出信號，為便于設備控制算法的后期升級與移植，所以選用STM32 F103VCT6 芯片作為主控制器。它擁有256k 字節閃存存儲器，12 路模擬量輸入，2 路模擬量輸出，主頻為72 MHz，滿足工業級掃描周期。因為控制器與觸摸屏需要采用485 通信，所以硬件電路上采用SP3485 芯片進行通信轉換,其電路圖如圖2 所示。

圖2 485通信電路圖

溫度傳感器采用PT100 一體化溫度傳感器，溫度測量范圍為-50～300 ℃，為滿足軟化水管道尺寸的要求，選用絲桿螺紋為M16×15 的傳感器。傳感器支持模擬量與數字量兩種信號傳輸方式，為了有效防止數據傳輸過程中產生的電磁干擾[6]，系統選用4～20 mA 模擬量信號作為傳輸信號。

觸摸屏在工業控制領域應用甚廣，系統采用步科工業觸摸屏ET070 作為人機交互設備，因為它不僅能夠通過485 通信與控制器進行數據設定，還可以實時記錄溫度數據，方便現場人員根據時間查找溫度記錄。

2 繼電反饋PID算法

2.1 繼電反饋原理與誤差分析

繼電反饋PID 方法[7]是在PID 控制器的基礎上加入繼電控制部分[8]，它是利用繼電調節的非線性特征使系統輸出震蕩曲線[9]，形成震蕩極限環[10]。當系統輸出等幅震蕩時，由于設定信號為0，非線性環節信號由輸出轉為輸入，非線性輸出信號變為周期為Tu的方波信號，其傅里葉級數展開式[11]為:

式中，A0為直流分量，An和Bn分別為基波及各次諧波分量的幅值。由于輸出的信號為奇函數，則可推出A0與基波偶函數分量系數為0，即：

A為繼電反饋調節下的正弦信號的幅值的2 倍，Ku 為相應正弦特征參數下的臨界比例震蕩增益。

通過繼電反饋調節獲得控制對象的臨界參數[12]Ku 和Tu。將獲取到的Ku 和Tu 代入Ziegler-Nichos公式[13]求出如表1 所示的PID 參數。

表1 PID控制器參數整定表

繼電反饋主要存在兩方面的誤差。一方面，分解輸出的方波時，由于忽略高次諧波只取基波部分，因而產生一定的誤差。因為高次諧波產生的誤差對系統的控制精度影響甚微，所以此處暫且不做處理。另一方面，由于被控對象存在非線性，所以系統對周期性震蕩曲線進行采集時，會得到不對稱的曲線。為減少誤差，對震蕩的幅值進行均值處理如式（8），這樣即使震蕩曲線不對稱控制器仍然可以獲取準確的幅值。

式中，tmax和tmin分別為震蕩曲線的最大值和最小值。

2.2 繼電反饋改進

理論上繼電環節的幅值輸出為±d個單位，但是在實際過程中，由于電動閥只能單極性輸出，所以對執行器輸出進行改進。改進方法：首先，橫坐標沿著縱坐標方向向上平移P個單位，然后，再在P的基準點上疊加±d個單位，原理如圖3 所示，P值一般選取執行器的50%開度作為標準點。這樣在繼電控制下，輸出會產生一個數值為正數的周期震蕩。

圖3 繼電反饋下的響應曲線

對于執行器的單極性和液體溫度的滯后問題，在編程時需要先確定測量工藝點和繼電幅值h的數值，然后再獲取震蕩曲線參數。

測量工藝點：由于廣義對象的非線性問題，所以繼電震蕩選取電動閥開度P0=55%，經過90 s 后軟化水溫度穩定在45 ℃。將此時溫度值作為工藝溫度即設定值SV，當溫度值在工藝溫度點附近穩定時，系統開始進行繼電控制。具體流程如下：當SV＞PV時，則P0=35%，若PV＞SV 時，P0=55%。因為溫度具有大慣性純滯后的特點，所以繼電幅值h為10%,輸出產生的震蕩波形基本符合正弦曲線。

震蕩曲線參數獲取：結構體變量counter 負責記錄實時溫度PV 穿越設定溫度SV 的次數。如圖4 所示，首先，counter 變量為奇數時表示曲線由下向上穿越，利用遞推算法可求出曲線峰值amax，然后，counter為偶數時表示曲線由上向下穿越，同理可求出波谷值amin，最后利用式（8）計算出幅值。Counter 的初始值由SV 與PV 的差值進行設定。

圖4 響應曲線的臨界辨識

在繼電控制模式下，通過識別控制對象的震蕩曲線得到了曲線幅值a和震蕩周期Ts。為了進一步增加對系統的辨識，精準得到PID 的參數，利用參數歸一化對臨界增益Ku 進行處理如式（9）：

式中，cmax和cmin分別為控制器輸出的上限和下限；ymax和ymin分別為管道流量的上限和下限。

2.3 滯環繼電反饋的實現與仿真

對于密煉機的工作環境中存在噪聲干擾和繼電器響應過于超前的問題，該文在繼電控制的基礎上采用滯環延遲的方法進行解決。如圖5 所示，在繼電調節過程中，當設定值與當前值的差值u在一定范圍內，控制器才會控制繼電輸出反向改變，這樣可以有效防止噪聲產生的顫抖。另外為了防止極限震蕩參數誤差過大，采用式（10）數字濾波對原始數據進行處理。

圖5 滯環繼電反饋原理

式中，k表示采集的點數，fn為每次采集的模擬信號值。

工業上溫度控制設備的模型有時變、非線性、復雜的大慣性純滯后的特點[14]，為了驗證方法的可行性，該文以工業溫度控制中常用的一階慣性時滯模型為被控對象進行仿真驗證，并且與常規繼電反饋控制進行對比，仿真模型如圖6 所示。

圖6 繼電反饋PID控制模型

滯環PID 對比響應曲線如圖7 示，與傳統繼電反饋的響應曲線相比，帶有滯環的繼電反饋明顯比前者控制效果好，相比前者超調量減少了10%左右，時間縮短了16.8%，溫度曲線平穩。仿真結果表明該方法可行，因此系統采用帶有滯環控制的繼電反饋算法。

圖7 滯環PID對比響應曲線

3 系統實現與測試

將PID 算法移植到中斷程序[15]，配置斷時間設置為100 ms。開啟系統后，控制器首先完成系統的初始化，包括時鐘配置、中斷配置、串口配置、模擬量采集輸出配置、IO 輸入輸出配置等，然后讀取欠壓、超溫等數字量信號，判斷是否進行報警，最后采集軟化水的實時溫度啟動溫度控制。設備實物如圖8所示。

圖8 溫度控制設備圖

為了驗證自整定PID 系統的實用性，在設備的自整定模式和人工整定模式下，通過不同的溫度區間來測試系統對溫度的控制效果。為保證實驗的客觀與真實性，在實驗場所干擾比較大的生產車間進行測試。通過自整定模式與人工整定模式依次交換的方法進行10 次實驗，并對實驗數據做均值處理，測試數據如表2、3 所示。

表2 人工整定測試結果表

表3 自整定測試結果表

從表中可以發現，除了在20 ℃升溫至40 ℃區間的人工PID 控制效果較好，控制時間較前者短了4 s，但是穩態誤差和超調量方面不如前者。其他區間的控制效果均不如自整定控制。經過分析得知這是因為此區間的溫度是該廠的產品的主要控制溫度，該參數為該廠多年總結的經驗數值，所以控制時間較為迅速。總體來說自整定的實際效果比人工整定效果較為理想。而且從表中可以看出，利用加熱器升溫控制的方式相比降溫控制來說在穩態誤差和超調量方面效果較好，但在響應時間方面不如后者，這是因為冷卻水循環的熱交換板的物理性能較差，影響了系統對溫度的控制，但是整體滿足密煉機設備的控制要求。且該系統支持人工整定和自整定的設置，大大提高了溫控設備的靈活性。

4 結論

該文設計了基于STM32 的密煉機自整定PID 溫度控制系統，為了提高控制溫度的精度，利用改進的繼電反饋PID 算法對水溫進行控制。對于電磁閥的單極性問題，配置合理的工藝點與繼電幅值，使被控對象產生震蕩曲線。在模型辨識上采用了數字濾波的方式，并對臨界增益進行了參數歸一化處理，極大提高了控制參數[16]的精準性。對于設備的工作環境和響應曲線的頻率特性問題，通過仿真實驗的對比，選用帶有滯環控制的繼電反饋方法，極大提高了響應時間，減少了誤差。應用表明，該方案很好地替代了人工調節PID 參數的傳統方式，節約了人力成本，提高了設備的智能化，能夠廣泛應用到橡膠行業中密煉機和開煉機的溫度控制設備上。