王培培

（施耐德電氣（中國）有限公司上海浦東分公司，上海 200000）

0 引言

溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，伴隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度的溫度控制器具有極其廣泛的應用前景[1]。高精度的溫度控制器目前主要應用于低溫實驗儀器或者設(shè)備的制作，工業(yè)氣體含水量的測定以及醫(yī)療、控制、電子器件等小環(huán)境領(lǐng)域。純滯后現(xiàn)象普遍存在于溫度控制系統(tǒng)中，這種情況下很容易引起系統(tǒng)超調(diào)和振蕩以及系統(tǒng)參數(shù)變化，且這種不可準確預計的變化大大增加了高精度溫度控制的難度[2]。傳統(tǒng)的溫度控制器更多地采用純模擬電路作為驅(qū)動控制部分[3]，但是設(shè)計模擬電路相對復雜，主要依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)控制參數(shù), 控制精度低，目前很難做到動態(tài)調(diào)節(jié)[4]。

PID自整定的方法很多，經(jīng)驗公式法很大程度上需要依靠個人的經(jīng)驗；曲線衰減法則需要對被控對象建立完善的數(shù)學模型；啟發(fā)式推理技術(shù)需要專家系統(tǒng)和推理機制，而且計算量非常大[4]。在本系統(tǒng)中我們采用的是繼電型自整定法來實現(xiàn)對溫度參數(shù)的自整定功能[5]。由此設(shè)計的PID自整定的溫度控制方法，具有控制溫度精度高、范圍廣、速度響應快等優(yōu)點。

1 PID自整定應用方法研究

1.1 方法概述

1.1.1 PID 自整定硬件電路設(shè)計概述

本設(shè)計基于DSPIC30F6014A單片機，主要由加熱接口模塊、加熱防死機模塊、PT100A/D轉(zhuǎn)換模塊、MCU PID自整定模塊等組成。主要工作原理如下所述。

（1）采用PT100作為溫度傳感器，其輸出信號為mV級。溫度傳感器的輸出端通過全電橋連接至信號放大處理電路，信號放大處理電路的輸出端連接至16位AD采樣芯片，AD芯片采樣2400個點并求平均值作為PT100的輸出值，根據(jù)溫度傳感器的輸出值與設(shè)定的溫度值進行比較和控制。

（2）當MCU運行時會不斷地向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器發(fā)送串行控制數(shù)據(jù)控制加熱棒正常工作，當MCU死機時則會停止發(fā)送控制數(shù)據(jù)，加熱棒就會被切斷控制停止工作。PID自整定結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PID 自整定結(jié)構(gòu)圖

下面主要分兩部分來論述一下硬件電路的設(shè)計。

（1）電源變換電路。該系統(tǒng)采用±12V工作電源，MCU及其外圍數(shù)字電路的工作電壓是3.3V，還需要提供2.5V參考電壓，以及模擬電路中運放的負電源工作電壓等。

本系統(tǒng)采用DC/DC電源變換模塊，將±12V轉(zhuǎn)換為±5V，該模塊選用的是LM7805。再通過TPS77633將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，通過UCC284將-5V轉(zhuǎn)換為-3.3V，主要給MCU及外圍數(shù)字電路供電以及模擬電路中運放的負電源工作電壓。2.5V參考電壓電路，選用的芯片為ADR219。

（2）基于DSPIC30F6014A的數(shù)字電路?；趩纹瑱C的外圍數(shù)字電路主要有：加熱接口模塊、加熱防死機模塊和PT100 A/D轉(zhuǎn)換模塊。

①加熱接口模塊。該模塊采用固態(tài)繼電器和光耦，通過加熱信號HEAT_OUT來控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制加熱棒的加熱時間。如圖2所示為加熱模塊的電路圖。加熱信號又是通過光耦器件來驅(qū)動固態(tài)繼電器的通斷。

圖2 加熱模塊電路

②加熱防死機模塊。當MCU運行時會不斷地向單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器發(fā)送串行控制數(shù)據(jù)控制加熱棒正常工作，當MCU死機時則會停止發(fā)送控制數(shù)據(jù)，加熱棒就會被切斷控制停止工作。

③PT100A/D轉(zhuǎn)換模塊。采用PT100作為溫度傳感器，量程為0～400℃，其輸出信號為mV級。溫度傳感器的輸出端通過全電橋連接至信號放大處理電路，采用低功率、高精密放大器差分放大的方式進行信號處理，選用的放大芯片為INA118。原理圖如圖3所示。

圖3 PT100 信號放大處理電路

信號放大處理電路的輸出端連接至16位AD采樣芯片，AD芯片采樣2400個點并求平均值作為PT100的輸出值，根據(jù)溫度傳感器的輸出值與設(shè)定的溫度值進行比較和控制。溫度傳感器測得保溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度通過SPI通訊與MCU進行數(shù)據(jù)傳輸，并且每1s發(fā)送測量的溫度值給上位機進行顯示。本模塊選用的AD芯片為AD7694，圖4所示為AD7694的電路連接圖。

圖4 AD7694 的電路連接圖

2 PID算法簡介

PID中P是比例，是測量值與設(shè)定的定值之間的偏差乘以一個系數(shù)；I是積分，是對測量值與設(shè)定的定值之間的偏差進行積分運算；D是微分，對測量值與設(shè)定的定值之間的偏差進行微分運算。在工程應用中，最為廣泛的調(diào)節(jié)控制分為比例控制、積分控制和微分控制，簡稱PID控制。實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)測量值與設(shè)定的定值之間的誤差，利用比例P、積分I、微分D計算出控制量進行控制。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，穩(wěn)定性良好和調(diào)整方便等優(yōu)點從而成為現(xiàn)代工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，如圖5。

圖5 PID 控制原理框圖

以下是PID參數(shù)的原則要求和整定方法。（1）原則要求：被控過程相對穩(wěn)定，能迅速并準確地跟蹤設(shè)定值的變化，測量值與設(shè)定值之間的超調(diào)量小。在環(huán)境參數(shù)與系統(tǒng)發(fā)生變化時，控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，可以根據(jù)具體的需求，滿足主要需求，并兼顧其它方面。（2）PID參數(shù)整定方法：理論計算法需要建立被控對象完善的數(shù)學模型；工程整定法和理論計算法完全不同，需要在現(xiàn)場對控制系統(tǒng)進行整定。

3 PID自整定控制算法

根據(jù)K.J.Astrom 提出的繼電振蕩法，通過描述函數(shù)法，經(jīng)過推導，在自整定模式下，產(chǎn)生振蕩的條件為：

表1 Z-N PID 參數(shù)整定表

4 數(shù)字PID控制器及算法

這里用heat_time來表示加熱功率，heat_timel=4000表示滿功率加熱，heat_timel=0表示零功率加熱，0

5 結(jié)論

本系統(tǒng)使用上述的硬件電路以及所述的增量型PID控制算法，通過完整的系統(tǒng)測試，該溫度控制系統(tǒng)經(jīng)過PID自整定算法控制加熱棒工作，能夠在30分鐘內(nèi)使保溫箱內(nèi)的溫度保持在設(shè)定的溫度值80℃±0.1℃范圍內(nèi)，達到了技術(shù)指標要求的溫度精度以及穩(wěn)定度，超調(diào)量也能滿足指標要求。除此之外，還可以通過上層軟件隨時修改PID的控制參數(shù)，實現(xiàn)方法簡單、控制效果良好。