朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236041

利用分段PID算法研制小型溫控腔體

朱 輝，吳 鵬

阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，安徽阜陽 236041

文章介紹了利用分段PID算法研制的小型溫控腔體，通過實測控制精度達到±0.2℃，溫度的上沖不超過1℃，確保腔體內(nèi)放置的激光頭功率穩(wěn)定。

PID；腔體；激光

溫度控制廣泛應(yīng)用到激光器[1]、電爐[2]、熱處理和偏光顯微鏡熱臺等方面，其中多數(shù)控制都是采用PID方法，并在實踐中取得了較好的效果[1]。設(shè)計物理光學(xué)實驗系統(tǒng)往往需要小型半導(dǎo)體激光頭發(fā)射功率相對穩(wěn)定。由于實驗室溫度的變化會影響激光頭發(fā)射的功率進而影響實驗效果，為此開發(fā)了一個溫控小腔體來實現(xiàn)激光頭的工作溫度控制在一個相對恒定的區(qū)間。

1 PID控制算法簡介

溫度控制領(lǐng)域在近幾十年來提出了很多的方案，其中PID控制算法具有實現(xiàn)易、控制效果佳和魯棒性強等特點得到廣泛的應(yīng)用[3]。加之溫度控制中被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)由于外界的變化和測溫點的選取不同難以掌握并獲得精確的數(shù)學(xué)模型，最適用采用PID算法。

PID控制表現(xiàn)為通過測量系統(tǒng)的偏差e(t)和偏差的變化de(t)和累計來調(diào)整輸出u(t)，其中kp,kd,ki分別為比例因子、微分因子和積分因子。通過合理的選擇合理的因子就能獲得較好的控制效果。

2 溫控腔體的硬件實現(xiàn)

小型溫控腔體硬件設(shè)置如圖1所示。系統(tǒng)分為加熱和控制兩個部分。其中控制部分采用5V供電，加熱部分采用24V供電，保障學(xué)生實驗過程中的安全?？刂坪诵男酒捎没贏RM? Cortex?-M4內(nèi)核Freescale K60處理器，控制溫度為略高于當(dāng)日最高室溫，加熱采用加熱片對稱均勻加熱。溫度傳感器PT1000通過電橋形成電壓信號，經(jīng)ADS1112采集后通過I2C接口發(fā)送給主控芯片。主控芯片除了驅(qū)動串口屏顯示當(dāng)前溫度和最近30次控制的溫度變化外，還通過串口發(fā)送給上位機進行記錄。為了方便對溫度和控制參數(shù)進行調(diào)整，該方案還設(shè)計了按鍵。

3 軟件實現(xiàn)和結(jié)果分析

考慮到室溫在一天中的變化，利用實時時鐘預(yù)測當(dāng)天最高溫度，并在此基礎(chǔ)上提高5℃為系統(tǒng)當(dāng)天工作的設(shè)定溫度。軟件控制的目的一是要能快速的達到系統(tǒng)設(shè)定的溫度；二是不能有較大的上沖；三是溫度的精度要在正負0.2℃以內(nèi)。

為了實現(xiàn)上述的目標(biāo)。我們采用三段PID加一段全速加熱的方法來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制。如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)溫度和設(shè)定的溫度差值較大時，系統(tǒng)采用全功率加熱；落入不同的溫差范圍時設(shè)置對應(yīng)的P、I和D保證溫度控制的高效和穩(wěn)定。特別是為了防止上沖過高，除調(diào)整PID參數(shù)還對積分結(jié)果進行兩個方面限制。一是加溫進入到PID控制區(qū)域內(nèi)才能開始積分，二是防止前期積分值較高對積分的總量進行限制。

經(jīng)過實驗獲得了圖3的腔體溫度變化圖，可以看出溫度的上沖不超過1℃，控制精度達到了±0.2℃以內(nèi)。系統(tǒng)達到穩(wěn)定工作時間在20min以內(nèi)，總體指標(biāo)達到設(shè)計目標(biāo)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)論

通過采用分段PID算法和對積分的限制實現(xiàn)了對小腔體溫度控制的目標(biāo)，該方案能很好的應(yīng)用到需要激光頭功率穩(wěn)定的實驗中，取得了一定的效果。

TN2

A

1674-6708（2015）148-0159-01

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201310371028）安徽省自然科學(xué)基金（KJ2012Z307）阜陽師范學(xué)院自然基金項目（2010FSKJ06）阜陽師范學(xué)院精品課程（2012KFKC06）