基于uCOS-II的PID溫度控制系統(tǒng)

何良斌 王 健

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于uCOS-II的PID溫度控制系統(tǒng)

何良斌 王 健

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

文章提出了一種基于實時操作系統(tǒng)uCOS-II的PID溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該方案以飛思卡爾16位單片機(jī)MC9S12XDG128為硬件平臺，結(jié)合uCOS-II的實時性、可靠性以及PID控制的非線性、時變性等優(yōu)點，通過實驗成功的實現(xiàn)了對溫度的精確控制。系統(tǒng)具有成本低、可移植性強(qiáng)、可靠性好、易擴(kuò)展等優(yōu)點，可以適用一般的溫度控制場合。

實時操作系統(tǒng)；PID控制；溫度控制

（一）引言

近年來，像化工、冶金、糧食儲存、酒類生產(chǎn)、電子設(shè)備等領(lǐng)域，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)之一，因此，溫度控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景和實際意義。采用微控制器對系統(tǒng)進(jìn)行控制具有控制方便、簡單、靈活性大等特點，然而采用傳統(tǒng)的前后系統(tǒng)當(dāng)大部分算法和邏輯運算都集中在微控制器時，程序的規(guī)模將變得很大，在系統(tǒng)功能較復(fù)雜，尤其是系統(tǒng)中的并發(fā)模塊較多的情況下，就很難保證測量和控制的實時性；另外，像溫度這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確地數(shù)學(xué)模型，用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。因此，本文設(shè)計了一種基于實時操作系統(tǒng)uCOS-II的PID溫度控制系統(tǒng)，采用飛思卡爾的16位單片機(jī)MC9S12XDG128為微控制器，能夠滿足實時性好、精確度高、穩(wěn)定性好等要求的溫度控制場合。

（二）系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)由三部分組成：硬件層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層。MCU通過采樣電路實時采集溫度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運算，得到輸出控制信號，輸出適當(dāng)寬度的 PWM脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動放大后，實時控制加熱棒。整個系統(tǒng)的運行如信號采集、輸出脈沖、溫度報警、與上位機(jī)通信等都由操作系統(tǒng)調(diào)度，它是整個系統(tǒng)中上層控制和下層硬件系統(tǒng)的連接紐帶。

（三）硬件設(shè)計

硬件電路框圖如圖1所示。控制核心為MC9S12XDG128，該MCU具有豐富的片內(nèi)資源：128KB的Flash，8路10位ADC，3個CAN協(xié)議控制器，8個可編程PWM通道，2個串行異步通信接口，2個同步串行外設(shè)接口SPI，一個I2C總線接口等，正因為有這么豐富的資源從而可以很容易進(jìn)行功能擴(kuò)展。同時，它具有很強(qiáng)的邏輯控制功能，完全可以取代信號處理和邏輯運算等硬件電路，這樣一方面大大減少了外部硬件電路受干擾的可能，提高抗干擾性，另一方面只需改變程序就能改變算法，提高了控制能力。

系統(tǒng)控制的好壞關(guān)鍵在AD的轉(zhuǎn)換精度，本文采用具有高精度、低噪聲的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7190。MCU通過同步串行口SPI與AD7190通信，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字化電壓值傳入微控制器，進(jìn)行后續(xù)計算得到相應(yīng)的溫度值。重要的是AD7190具有零延遲的特性，可以很好的實現(xiàn)實時性。

在溫度檢測裝置中采用鉑熱電阻Pt100，它具有其他任何溫度傳感器無法比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等，因而被廣泛用于中溫(-200～650℃)范圍的溫度測量中。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。本文采用微處理器數(shù)字化校正，將Pt電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度值。

整個硬件工作流程如下：首先將 Pt100采到的對應(yīng)電壓值，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量傳給MCU，MCU根據(jù)數(shù)字量查表得到相應(yīng)的溫度值，PID控制器根據(jù)溫度值與目標(biāo)值之間的關(guān)系得到相應(yīng) PWM的輸出占空比，控制加熱棒，達(dá)到控制溫度目的，并在8位LED上顯示目標(biāo)溫度和實際溫度，當(dāng)實際溫度達(dá)到報警溫度時，就會產(chǎn)生報警以便人工及時處理情況。其中可以通過鍵盤或者PC設(shè)置目標(biāo)溫度值和報警溫度值，還可以通過通信接口與PC機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。

圖1 硬件電路框圖

（四）軟件設(shè)計

1.uCOS-II實時操作系統(tǒng)

傳統(tǒng)以單片機(jī)為核心的測控系統(tǒng)，其程序一般采用前后臺的方式編寫。后臺運行一個大的無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作；前臺為多個中斷，處理異步事件。這種傳統(tǒng)的單片機(jī)開發(fā)工作中經(jīng)常遇到程序跑飛或是陷入死循環(huán)，前者可以用看門狗解決，但對于死循環(huán)，尤其是其中牽扯到復(fù)雜數(shù)學(xué)計算的話，只有設(shè)置斷點，耗費大量時間來慢慢分析。也因為無法確定發(fā)生中斷時程序到底執(zhí)行到了什么地方，從而無法判斷要經(jīng)過多長時間數(shù)據(jù)處理程序才會執(zhí)行，中斷響應(yīng)時間無法確定，使得系統(tǒng)的實時性不強(qiáng)。

uCOS-II是由Labrosse先生編寫的一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。雖然uCOS-II會占據(jù)一定的空間，但目前的單片機(jī)空間已經(jīng)足夠，而且其利遠(yuǎn)大于弊。基于 uCOS-II的應(yīng)用程序編寫就變得比較簡單，將系統(tǒng)功能劃分為一個個任務(wù)，每個任務(wù)相對獨立，可以定義多達(dá)64個任務(wù)，足夠一般系統(tǒng)使用。任務(wù)之間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間可以調(diào)用信號量、消息郵箱、消息隊列、延時等系統(tǒng)服務(wù)來實現(xiàn)彼此通信和同步。這一切有操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，分配資源，協(xié)調(diào)各個任務(wù)的運行。當(dāng)某一個任務(wù)出現(xiàn)問題也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，使系統(tǒng)更加容易更新以及擴(kuò)展新的功能，提高了系統(tǒng)的開放性和開發(fā)效率。

2.PID控制算法

在工程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制，簡稱PID控制器，亦稱PID調(diào)節(jié)器。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。它就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的，三個校正環(huán)節(jié)的作用各不相同。目前有三種應(yīng)用比較廣泛的 PID控制算法，分別是增量式算法、位置式算法、微分先行。模擬 PID控制器的原理框圖如圖2所示，其中r(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實際輸出，u(t)為控制量。其控制表達(dá)式如下：

式中e(t)=r(t)-c(t)為系統(tǒng)偏差，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

圖2 模擬控制器原理框圖

計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算空置量，所以在數(shù)字系統(tǒng)中 PID算法只能數(shù)值逼近的方法實現(xiàn)，用求和代替積分，用差分代替微分，得到數(shù)字PID控制器的控制表示式如下：

式中e(k)=r(k)-c(k)，Ki=Kp*T/Ti，Kd=Kp*Td/T，其中T為控制周期。從而可以推出增量式PID的控制表達(dá)式為：

u(k) =u(k? 1 )+ Δu(k)，這兩個式子就為本系統(tǒng)所采用的增量式PID控制器的數(shù)學(xué)模型。

確定好PID控制的結(jié)構(gòu)以后，需要進(jìn)行PID控制器的參數(shù)整定，PID參數(shù)整定有多種方法，本文采用的是臨界比例法。首先，預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期；其次，僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下比例放大系數(shù)Kr和臨界振蕩周期Tr；最后，在一定的控制度下通過公式計算得到 PID控制器的參數(shù)：Kp=0.63*Kr，Ti=0.49*Tr，Td=0.14*Tr。

3.軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。uCOS-II實時操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和調(diào)度各個任務(wù)。總使能任務(wù)負(fù)責(zé)其他任務(wù)的工作與否，采集任務(wù)負(fù)責(zé)采集溫度值，控制任務(wù)負(fù)責(zé)控制加熱棒，顯示任務(wù)負(fù)責(zé)顯示溫度值，鍵盤任務(wù)負(fù)責(zé)設(shè)置目標(biāo)溫度值，通信任務(wù)負(fù)責(zé)與PC之間的通信。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

（1）總使能任務(wù)

控制其他任務(wù)的工作與否，這樣既便于擴(kuò)展功能，也利于對系統(tǒng)裁剪、可移植性好。

（2）采集任務(wù)

該任務(wù)主要用于采集溫度值。首先查看總使能是否有效，若有效則通過SPI接口讀取AD7190的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫度值，進(jìn)行平均濾波，最后將數(shù)據(jù)放入消息隊列，供控制任務(wù)使用，其任務(wù)流程圖如圖4所示。

（3）控制任務(wù)

該任務(wù)是系統(tǒng)的核心，主要控制加熱棒。查看總使能是否有效，若有效則從消息隊列中取出數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行 PID計算得到PWM占空比，輸出PWM波，從而控制加熱棒。其任務(wù)流程圖如圖5所示。

圖4 采集任務(wù)流程圖

圖5 控制任務(wù)流程圖

（4）通信任務(wù)

該任務(wù)一方面向PC機(jī)實時發(fā)送各類數(shù)據(jù)，包括溫度值、PWM占空比、目標(biāo)值等；另一方面PC機(jī)可以向系統(tǒng)發(fā)送各類命令，包括設(shè)置目標(biāo)值、啟動還是停止等，從而達(dá)到控制的作用，使整個系統(tǒng)更加人性化。而其中的 CAN通信可以使系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。

4.實驗結(jié)果與結(jié)論

該系統(tǒng)在色譜分析儀上已成功實現(xiàn)溫度控制，其溫度控制范圍50～250℃，圖6、7是其中二個實驗結(jié)果曲線圖。圖6為被外界干擾下使溫度失衡，但系統(tǒng)通過PID調(diào)控制很快將溫度控制在100℃±0.2℃，并符合系統(tǒng)的精度要求。圖7為正常升溫過程，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時會過沖，但通過 PID控制很快就將溫度控制在180℃±0.2℃。

圖6 100℃溫控實驗曲線

圖7 180℃溫控實驗曲線圖

從實驗結(jié)果可以看出，本文基于uCOS-II的PID溫度控制，結(jié)合uCOS-II和PID各自的優(yōu)點，達(dá)到了很好的控制效果。另外，該系統(tǒng)具有實時性好、系統(tǒng)穩(wěn)定、易移植、易擴(kuò)展等優(yōu)點，從而可以應(yīng)用在各個中溫控制場合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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TP302

A

1008-1151(2011)05-0037-02

2011-02-17

何良斌（1987－），男，浙江麗水人，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院在讀研究生，研究方向嵌入式系統(tǒng)。