龍卓群 王天任 西安航空學院電子工程學院

1 系統(tǒng)設(shè)計方法

采用PID控制的方法是首先設(shè)定一個溫度定值，經(jīng)過單片機處理轉(zhuǎn)換為跟溫度值相對應的數(shù)字信號，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器使得數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相對應的模擬信號也就是與之對應的電壓值，這個電壓值跟溫度傳感器所得出的信號進行比較就會產(chǎn)生一定的誤差，經(jīng)過相應的PID整定之后，就會得到一個根據(jù)誤差得來的控制量輸給電路單元，由此就構(gòu)成了反饋系統(tǒng)。同時實際的電壓值就會由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號控制相應的觸發(fā)電路，進行電路的通斷操作，這樣就可以通過調(diào)節(jié)加熱時間達到溫度可控的目的。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 溫度測量電路

溫度測量是整個系統(tǒng)中的重要部分，它的品質(zhì)好壞影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。傳統(tǒng)的溫度測量是采用傳感器來測量溫度，溫度傳感器選擇一個比如AD590，它的工作原理是把測量的溫度轉(zhuǎn)換成電信號，此時轉(zhuǎn)換的是模擬信號，然后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這樣單片機才能夠?qū)Σ杉降男盘栠M行處理，但是這種方法很復雜，干擾也很大，像外界雜波的干擾，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性很難保證。數(shù)字型溫度傳感器測量的溫度范圍是-55℃～+125℃。

2.2 加熱控制電路

加熱控制電路是在整個系統(tǒng)中對系統(tǒng)進行控制，控制的對象是提供熱源的電爐絲，控制方式是對電爐絲兩端的電壓進行通斷控制，以此方式來實現(xiàn)加熱功率的調(diào)整，這樣就能實現(xiàn)對整個系統(tǒng)溫度的控制。電爐絲兩端電壓通斷控制采用的是繼電器的方式，控制方式簡單易行，只要在兩端加上高低電平就能實現(xiàn)繼電器的通斷，此外還要在電路中加入三極管構(gòu)成射極輸出器，這樣能將輸入的電流進行放大。

3 程序設(shè)計

3.1 PID原理

PID控制的原理說到底就是誤差控制，對系統(tǒng)的偏差信號進行比例、積分、微分計算，之后在計算的基礎(chǔ)上形成一定的控制律輸出：

為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)

PID控制器的參數(shù)該如何設(shè)置是整個控制系統(tǒng)的難點，這里我們是根據(jù)被控對象的特性來確定的。

3.2 計算程序

計算機處理的不是模擬信號而是數(shù)字信號，假定采樣周期為T，第n次的誤差為en，且en=r(n)=C(n)，輸出為u(n)，PID算法用的微

遞推表達式為：?un=un-un-1=Pp+Pi+Pd

其中：

PID控制在計算的時候需要的數(shù)據(jù)知識當前時刻的誤差en以及en-1和en-2，也就是之前的兩個時刻的誤差值。初始狀態(tài)設(shè)置為en-1=en-2=0，根據(jù)采樣來的數(shù)據(jù)以及設(shè)定好的參數(shù)Kp、Kd、Ki以及en、en-1和en-2計算?un。看輸出的控制量?un如何變化，可求出本次控制輸出為：un=un+1+?un=un-1+Pp+Pi+Pd。

4 結(jié)論

如何進行系統(tǒng)準確性的驗證就要采用仿真的方法進行，利用MATLAB的simulink子系統(tǒng)進行仿真。閉環(huán)調(diào)節(jié)用一個一階滯后環(huán)節(jié)來近似，這樣可得到PID的參數(shù)值，當Kp=0.03、Ki=0.029、Kd=0.008時，系統(tǒng)幾乎沒出現(xiàn)超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為30秒左右，響應性也很可觀。

從仿真結(jié)果得知所設(shè)計的恒溫控制系統(tǒng)能夠滿足我們各項要求，結(jié)構(gòu)上不復雜，實現(xiàn)起來容易，響應性快以及成本小，是我們期望設(shè)計的理想系統(tǒng)。