ＰＩＤ溫度控制系統的設計

摘要:介紹以單片機為核心的PID控制溫度控制系統，并給出了系統的硬件與軟件設計方案。實驗結果顯示該系統的先進性。

關鍵詞:溫控系統單片機PID控制

中圖分類號:TP273+.4文獻標識碼:B

0 引言

控制儀表性能指標對溫度控制有很大的影響，因此，常采用高性能調節儀表組成溫控系統對被控對象(溫度)進行嚴格控制。本文介紹以單片機AT89C51為核心器件構成的溫度控制系統，它具有測量、控制精度高、成本低、體積小、功耗低等優點，可制成單機，廣泛應用于冶金、化工、食品加工等行業對溫度進行精確控制。

1 溫控系統結構與工作原理

溫控系統的結構如圖1所示。熱電偶測量出電爐的實際溫度(mv信號)，經放大、線性化、A/D轉換處理后送入單片機接口。由鍵盤敲入設定溫度值，此值與經A/D轉換過的爐溫信號存在一差值(假如兩者溫度不一致)，由單片機PID調節電路進行比例、微分及變速積分算法對溫控箱進行恒溫控制。該系統采用傳統的AT89C52單片機，其硬、軟件完全符合系統的要求，為滿足測控精確度的要求，A/D電路選用12位轉換器，分辨率為2-12。本系統采用三相數字過零觸發器對六只晶閘管(Y/△接法均可)進行輸出功率控制，即在電源電壓過零時觸發晶閘管，利用PID信號產生的控制信號使電流每周期按規定的導通波頭數導通負載，達到控制輸出功率，也就是控制爐溫的目的。采用過零觸發可減少電網諧波的產生，觸發器與單片機光電隔離，可減少電網對微機的干擾，調功方式下電加溫爐的平均功率為:P=3nU2/NR(1)

式中:P為輸入電爐的功率;R為電爐的等效電阻;U為電網相電壓;n為允許導通的波頭數;N為設定的波頭數。

注:公式(1)為負載Y接法適用

2 系統控制軟件設計

2.1 PID參數的優化 系統采用遺傳算法(Genetic Algorithm，簡稱GA)離線優化PID參數[1]。20世紀70年代由美國J.Holland教授提出的遺傳算法(GA)[2]是一種模擬生物進化過程的隨機化搜索方法。它采用多路徑搜索，對變量進行編碼處理，用對碼串的遺傳操作代替對變量的直接操作，從而可以更好的處理離散變量。GA用目標函數本身建立尋優方向，無需求導求逆等復導數數學運算，且可以方便的引入各種約束條件，更有利于得到最優解，適合于處理混合非線性規劃和多目標優化。系統采用二進制編碼選擇來操作，我們稱為染色體串(0或1)，每個串表示搜索空間的一個點。它模仿遺傳進化的步驟，引入如繁殖、交叉和變異的方法，在所求解的問題空間進行全局的、并行的、隨機的優化搜索[3]。

本系統用GA算法對PID離散化表達式[3]中的3個PID參數KP、KI、KD進行離線優化設計，從而使系統的性能達到最優。本例中用C語言編寫的算法流程圖如圖2所示。

取采樣周期:T=80s;GA離線優化結果為:積分時間:TI=240s;微分時間:TD=80s;比例系數:KP=6;積分系數:KI=KPT/TI=2;微分系數:KD=KPTD/T=6。

2.2 變速積分PID控制算法 在傳統的PID算法中，因積分增益KI為常數，故在整個調節過程中其值不變。但系統對積分的要求是:偏差大時，積分作用減弱，否則會產生超調，甚至出現積分飽和;反之則加強，否則不能滿足準確性的要求[4]。引進變速積分PID控制算法能使控制性能得以滿足。其基本思路為:偏差大時，積分累積速度慢，積分作用弱;偏差小時，積分累積速度快，積分作用強。為此，設置系數f[E(K)]，它是偏差E(K)的函數，當[E(K)]增大時，f[E(K)]減小;反之則增大。每次采樣后，用f[E(K)]乘E(K)，再進行累加:

PI(K)=KI{ +f[E(K)]E(K)} (2)

式中:PI(K)表示變速積分的輸出值。

f[E(K)]與E(K)的關系可表示為:

E(K)≤B

B<│E(K)│≤A+B

∣ │E(K)│>A+B

將P(k)代入PID算式，得:

P(K)=KPE(k)+KI{+f[E(K)]E(K)}+KD[E(k)-E(k-1)](3)

變速積分PID控制算法程序框圖如圖3所示。

在此系統中，采用簡單的變速積分PID控制，經實驗驗證，取A=10，B=2效果良好。

2.3 系統主程序設計 系統的軟件設計在89C52單片機上，由單片機控制的主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調用。溫度信號的采集、數字濾波、標度變換、溫度顯示、變速積分PID控制算法等功能的實現由各子程序完成。軟件還包括對系統的保護和快速加溫的切換等。軟件流程圖如圖4所示。采樣周期通過AT89C52的定時器T0和軟件計數實現。

3 實驗結果

實驗中采用10kw電阻爐將溫控對象從室溫加熱到300℃，并使爐溫保持在此溫度，溫度值上下波動±0.5℃。測得系統的動態性能為:延遲時間td=150s，超調量σ=3.1℅，上升時間tr=650s，調節時間tc=320s。對于時間常數較大的溫度控制系統，系統的動態性能指標較好。

4 結束語

基于PID溫度控制系統的設計，硬件上采用單片機89C52，軟件上采用遺傳算法(GA)對PID參數離線優化、變速積分PID控制算法進行控制。該系統具有調試簡單、精度高、體積小、可靠性好等優點。實驗結果表明該方法可行且效率較高。

參考文獻:

[1]揚德利，劉百勇，龔雪皓，等.半導體器件的遺傳算法優化設計[J].半導體技術.2001(2):41 4.

[2]Holland JH.Adaptation in Nature and Artificial Systems[M].MIT Press.1992.

[3]李士勇.模糊控制·神經控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社.1998.111 119.

[4]陶永華，伊怡欣，葛蘆生等.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社.1998.8.11.