溫度控制器的PID數字化實現探討

單祥 胡海濤 李春鵬

摘要：現代測溫系統中廣泛使用的是基于PID調節的溫控器，該技術具有實現簡單、可消除穩態誤差等優點，但市場上大多數該類儀器都是利用模擬PID控制器實現對溫度控制的，而利用計算機軟件來實現PID控制算法比模擬PID控制器具有更大的靈活性和可靠性。基于此，文章在模擬PID控制器的基礎上研究了數字化PID控制器的實現方法。

關鍵詞：溫度控制器；PID技術；數字化；現代測溫系統；計算機軟件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP272 文章編號：1009-2374（2016）18-0040-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.021

近些年，隨著經濟的發展與科學技術的進步，電阻爐在工業生產領域中逐漸得到廣泛應用，不管是在冶金、電力行業，還是在石油化工及機械行業，其重大技術經濟指標都離不開電阻爐的應用。電阻爐對溫度控制的穩定性及可靠性對各大工業生產企業的發展起到重要的影響作用，且其溫度測量與控制技術漸漸成為當前科技發展的重要技術之一。但在實際溫度測控中，電阻爐存在較強的干擾性與滯后性，且電加熱爐在升溫控制中存在一定的單向性與時變性，因此僅僅采用數學方法很難保證參數的精確性。對溫度的有效控制對整個活動起到最直接的影響作用。因控制對象多、存在因素復雜，使得溫控手段更加多樣化。在各種溫控方法中，PID控制技術憑借其可有效避免穩態誤差的優勢，能夠在很大程度上滿足相關系統的應用需求，數字化PID技術更是以其比模擬化PID技術更靈活、可靠的特點得到大家的青睞。本文就以溫度控制器的數字化PID實現為題來分析研究其實現過程。

1 數字化PID溫控器設計總述

數字化PID溫控器的整體設計示意圖如圖1所示。在這個以STC89C52單片機為核心的系統中，可以加熱的電加熱爐為控制對象，實時溫度值為被控參數，電加熱爐的預置溫度可以在系統控制面板上通過幾個相關的按鍵來設置，電加熱爐的實時溫度通過熱電偶采集微弱的電壓信號，經過信號放大和單片機的數據采集和模擬量輸入，單片機會用內部的程序實現數字PID控制算法，PID的輸出會作用于包含雙向晶閘管的驅動電路，實現對電加熱爐的功率調節。

2 硬件選型

2.1 單片機

STC89C52是采用Intel80C31內核的8位單片機，價格非常低廉，具有高性能、低功耗的特點，正常工作模式時的典型功耗僅為4～7mA，在引腳排列、硬件資源，指令系統上均完全兼容MCS-51系列單片機。本文就采用該款芯片，實驗證明它能出色地完成程序設定的任務。

2.2 模/數轉換功能模塊

由于熱電偶輸出的電壓信號為模擬量，為了使其信號能被單片機識別，需要進行A/D轉換。在A/D轉換芯片上，本文選擇逐次逼近型8位A/D轉換芯片ADC0809。片內有8路模擬開關，可輸入8個模擬量。單極性，量程為0～5V。外接CLK為640kHz時，典型的轉換速度為100μs。片內帶有三態輸出緩沖器，數據輸出端可直接與數據總線相連。其性價比有明顯的優勢，可應用于對精度和采樣速度要求不高的場合或一般的工業控制領域。

2.3 測溫元件

本系統所應用的溫度傳感器為WRNM-0l的K型熱電偶。熱電偶主要對-50～1100范圍內的不同形態靜態物體的表面溫度進行測量。

2.4 運算放大器

熱電偶對毫伏級別的電壓信號進行采集，信號相對較為微弱，需要采用差分運算放大器對電壓信號進行適當放大，使其能夠被單片機有效接收與處理。

本系統采用INA118運算放大器（由美國B-B公司生產），屬于一種精密儀表放大器，此類放大器不僅精度高、功耗低，而且工作頻帶寬、共模抑制比高，能夠有效放大各類微小信號。另外，INA118的電流反饋結構具有很大的獨特性，即使增益較高，頻帶寬度也能保持較高水平。

3 數字化PID溫控器的實現

3.1 模擬PID控制規律簡介

由比例、積分和微分控制規律組成的比例（P）控制器、比例積分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器以及比例積分微分（PID）控制器可以用于不同需求的被控對象，獲得比較滿意的控制效果。比例控制器具有階躍響應的特點，比例系數Kp越小，控制作用越弱，系統響應越慢；反之，比例系數Kp越大，控制作用越強，系統響應越快。比例控制器雖然反應速度快，但是卻不能消除靜差，而積分控制器能消除靜差，但是動作緩慢，基于此將兩者互補引入了比例積分控制器，在保證足夠反應速度的前提下消除了偏差。積分控制可以消除靜差，但同時也降低了系統的響應速度，當系統具有比較大的慣性和滯后特性時，用PI控制器很難得到較理想的動態調節品質，系統會產生較大的超調和振蕩，這時可以在PI控制器中加入微分控制，在偏差剛出現或變化的瞬間就產生調節作用，使得系統可以根據偏差量的變化趨勢提前給出控制作用（即微分控制作用），從而大大減小系統的動態偏差和調節時間，使系統的動態調節品質得以改善。本文中的PID溫控器即是基于此原理來設計制造的。

3.2 PID控制規律的數字化實現算法

本文采用位置式PID控制算法，首先應將模擬PID控制算式進行數字化處理，然后在此基礎上實現數字PID控制。為了得到離散數據，要對連續信號進行離散化處理，設定處理器每隔時間T對連續信號采樣一次，通過數值逼近的方法來完成離散化處理。當采樣周期T比較小時，積分相可用求和近似代替，微分項可用后項差分近似代替，于是有：

（1）

式中：t=kT，k=0，1，2，…；T為采樣周期；k為采樣序號；e（kT）簡寫成e（k），即省去T。

將式（1）代入式（2）中：

（2）

可得下列數字化的PID控制算式：

（3）

式中：u（k）為第k次采樣時刻計算機運算的控制量；e（k）為第k次采樣時刻的偏差量；e（k-1）為第k-1次采樣時刻的偏差量。

由式（3）計算得到的控制量u（k）可直接用于控制執行機構的位置，u（k）的值與執行機構的位置是一一對應的。

3.3 位置式PID控制算法的程序編寫

控制算法的編寫采用Keil C51編寫，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部分組合在一起。因其方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試功能得到了大家的青睞。首先對KP、TI、TD和T等參數進行設置，通過傳感器對r（k），y（k）等參數采樣輸入，然后單片機按照圖2框圖中所示的算法對這些數據進行運算處理，最終輸出適當的控制量，完成對溫度的調節作用。

4 結語

不管是在冶金、電力行業，還是在石油化工及機械行業，其重大技術經濟指標都離不開電阻爐的應用。電阻爐對溫度控制的穩定性及可靠性對各大工業生產企業的發展起到重要的影響作用，且其溫度測量與控制技術漸漸成為當前科技發展的重要技術之一。本文通過對基于PID控制原理的溫度控制器的數字化分析，具體闡明了溫控器的PID數字化設計相關技術原理。在硬件上，力求選用價廉質優、低功耗、高性能的電子元件。基于數字化PID技術設計的溫度控制器可實現對溫度的實時高效調控，市場應用價值相當寬廣，目前在電阻爐、工業化工溫度控制、實驗室溫控系統、農業溫室大棚溫度控制等領域都有很好的應用。本文所論述的數字化PID溫控技術更是具有非常高的商業應用價值和發展前景。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）