李震春 許積文 陳國(guó)華 蘇吉青 田志

摘要：本文設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。開發(fā)了PC機(jī)測(cè)控軟件，通過串口通信實(shí)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)送PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)，實(shí)時(shí)采集并保存來自實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的溫度數(shù)據(jù)，并做出溫度曲線。該平臺(tái)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證取得了較為滿意的控制效果，可以幫助學(xué)生更好地理解和靈活掌握PID控制理論，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；溫控系統(tǒng)；測(cè)控軟件；PID控量；PWM周期

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）18-0277-02

PID（Proportional Integral Derivative）控制由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于溫度、轉(zhuǎn)速、流量等工業(yè)過程控制[1]。本文根據(jù)工科物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)要求，設(shè)計(jì)了PID溫控參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.數(shù)字PID控制原理（略）。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為89C52微控制器、上位機(jī)軟件、LCD顯示、DS18B20測(cè)溫[2]、雙向可控硅及其控制的加熱器。系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)預(yù)定或上位機(jī)軟件發(fā)送來的PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)，當(dāng)采樣周期到達(dá)時(shí)，由DS18B2檢測(cè)容器的實(shí)際溫度送給單片機(jī)，單片機(jī)通過串口再將溫度值傳到上位機(jī)實(shí)時(shí)保存和顯示，并且將采集到的溫度信號(hào)與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較。當(dāng)偏差信號(hào)大于PID控量時(shí)，為了加快加熱速度，雙向可控硅與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，PID調(diào)節(jié)器不起作用；當(dāng)偏差信號(hào)小于或等于PID控量時(shí)，根據(jù)偏差信號(hào)及PID參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的PWM控制量，從而控制加熱器以多大的功率進(jìn)行加熱，使容器的實(shí)際溫度向著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。

3.硬件電路設(shè)計(jì)。由于電加熱管需要220V供電，因此不能直接連接單片機(jī)。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(fù)載端（強(qiáng)電）能有效隔離，提高抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)小功率控制大功率；另一方面根據(jù)位置式或增量式PID算法獲得的計(jì)算結(jié)果Un（ΔUn），將模擬量轉(zhuǎn)化為時(shí)間量，然后改變給定控制周期內(nèi)加熱管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比例，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的，這種控溫原理稱為脈沖寬度調(diào)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(shí)物時(shí)必須接一塊散熱片來保護(hù)。

4.程序設(shè)計(jì)。軟件程序主要由主程序、T0中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度等控制參數(shù)的更新，讀取并顯示溫度，由PID計(jì)算出加熱時(shí)間等工作，其流程圖如圖3所示。T0中斷服務(wù)子程序主要完成確定采樣周期、產(chǎn)生讀溫度標(biāo)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(jī)軟件的設(shè)計(jì)。在本溫控系統(tǒng)中，以單片機(jī)89C52作為下位機(jī)，用可視化語(yǔ)言VB編程實(shí)現(xiàn)上位機(jī)，向用戶提供直接的人機(jī)接口管理界面，下位機(jī)與上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信。通過運(yùn)行上位機(jī)的監(jiān)控軟件，用戶可方便的對(duì)PID參數(shù)、PID控量、PWM周期、目標(biāo)溫度參數(shù)等進(jìn)行在線修改，接收下位機(jī)上傳的溫度信息數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示溫度值以及變化趨勢(shì)。另外，實(shí)際溫度值隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)也可以保存成Excel文檔，方便用戶用其他軟件，如Origin等分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

二、PID溫控參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定控制器的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中PWM周期與采樣周期一樣。PID控量等于設(shè)定目標(biāo)溫度與PID啟動(dòng)調(diào)節(jié)的起始溫度之差，由于溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)及溫度傳感器對(duì)溫度的檢測(cè)也存在一定的滯后效應(yīng)[4]，如果PID控量過小或過大都可能導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定值甚至難以達(dá)到設(shè)定值。因此，PWM周期、PID控量的合理設(shè)置對(duì)溫控效果有極其重要的作用。本實(shí)驗(yàn)利用正交實(shí)驗(yàn)方法研究KP、KI、KD、PID控量、PWM周期等控制參數(shù)對(duì)溫控效果的影響，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的PID溫度控制參數(shù)。

將PWM周期、PID控量合并為一個(gè)因素并記作KT+KC，四個(gè)因素的三個(gè)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(shè)計(jì)一個(gè)L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表，如表1所示。將從20℃到穩(wěn)定在70℃的調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)作為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。利用直觀分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果見表1。根據(jù)各列極差R的計(jì)算結(jié)果，可得出該控制系統(tǒng)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(shè)置對(duì)溫控效果有極其重要的作用，且與理論分析結(jié)果相一致。根據(jù)k1、k2、k3的計(jì)算結(jié)果可得出本輪實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)最好的參數(shù)取值應(yīng)該是KP=8，KI=0.1，KD=2，KC=1℃，KT=1s。用此參數(shù)實(shí)測(cè)得到溫控曲線見圖5，其調(diào)節(jié)時(shí)間為550s，超調(diào)量為2.7℃，穩(wěn)態(tài)誤差為0.2℃，達(dá)到了預(yù)期的參數(shù)優(yōu)化效果。

三、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PWM周期、PID控量的合理設(shè)置對(duì)溫控效果有極其重要的作用，與理論分析相一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]余瑾，姚燕.基于DS18B20測(cè)溫的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（3）：105-106.

[3]高立兵，康雁林.基于AVR單片機(jī)的PID溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23（4）：91-92.

[4]曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.