基于Matlab的恒溫控制系統研究

張業明, 王　帥, 李　博, 陳永安

(河南理工大學 機械與動力工程學院, 河南 焦作　454000)

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基于Matlab的恒溫控制系統研究

張業明, 王帥, 李博, 陳永安

(河南理工大學 機械與動力工程學院, 河南 焦作454000)

以Matlab軟件為核心,對恒溫控制系統進行設計。利用K型熱電偶對加熱爐的溫度進行采樣,Matlab軟件利用增量式PID控制算法程序模塊對采集的溫度數據進行處理。當采集溫度低于設定溫度時,啟動加熱爐;當溫度高于設定溫度時,停止加熱,同時啟動冷卻風機,使加熱爐保持恒定。實驗結果表明:該恒溫控制系統的穩態誤差小于1 ℃,控制效果滿意。

恒溫系統； 加熱爐； Matlab； 增量式PID控制

在科學實驗、工農業生產及家庭生活等各個領域,溫度控制系統都得到了廣泛的應用[1-2]。恒溫控制系統作為一種十分常見的溫度控制系統,其目的是使被控對象的溫度恒定在某一數值上,且要求其波動幅度(即穩態誤差)不能超過某一給定值[3]。

目前,有關PID恒溫控制系統的研究不斷增多,常見的有基于單片機的溫度控制系統、基于DSP的PID溫度控制系統、基于ARM的模糊PID控制系統等[4-6]。有關Matlab的PID恒溫控制系統的研究還比較少,基于Matlab軟件強大的科學計算和數據處理能力,本文提出一種基于Matlab軟件的PID恒溫控制系統。

1　系統硬件設計

整個恒溫控制系統主要由PC(配置Matlab軟件)、YL5010-485多功能數據采集卡、信號調理電路、K型熱電偶、加熱爐、冷卻風機、RS232轉RS458轉換器以及USB轉RS232數據線組成。其中E型熱電偶對加熱爐進行溫度采集,其使用溫度為-200～1 300 ℃。USB轉RS232數據線和RS232轉RS458轉換器用于接口轉換和數據轉送。YL5010-485多功能數據采集卡用于數字信號與模擬信號之間的轉換和數字量的輸入輸出。信號調理電路用于將傳感器采集的溫度信號轉換成標準的0～5 V電壓信號并送入YL5010-485多功能數據采集卡。系統硬件結構框圖見圖1。

圖1　系統結構框圖

2　PID算法及參數確定

2.1PID控制原理

基于偏差的比例(proportional)、積分(integral)和微分(derivative)的綜合控制,簡稱PID控制[7]。PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現在”和“未來”信息估計得簡單卻有效的控制算法。由于其算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優點,PID控制策略被廣泛應用于工業過程控制中[8]。常規的PID控制系統原理框圖見圖2。

圖2　PID控制系統原理框圖

PID控制是一種線性控制方法,它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-y(t)。對偏差e(t)進行比例、積分和微分運算,將3種運算結果相加,就得到PID控制器的控制輸出u(t)。在連續時間域中,PID控制器算法表達式為

(1)

式中:Kp為比例系數；Ki為積分時間常數；Kd為微分時間常數[9]。

2.2增量式PID控制算法

增量式PID算法是對位置型PID算法進行改進后得到的一種新算法,具有誤動作時影響小、便于實現無擾動切換、算式不需要累加等優點[10]。增量式PID控制算法的結構框圖見圖3。

圖3　增量式PID控制結構框圖

增量式PID算法的表達為

(2)

2.3基于試湊法的PID參數確定

試湊法是通過模擬或閉環運行觀察系統的響應曲線,然后根據PID參數對系統響應的影響反復試湊參數,以達到理想的實驗效果,從而得到合適的PID參數。對參數的主調試實行先確定比例部分,再確定積分部分,最后確定微分部分的整定方法[11]。本恒溫系統PID參數確定過程如下:

(1) 首先確定比例部分:將比例系數由1逐漸增大到10(每次增加1),并觀察相應的系統響應曲線的變化；當比例系數取5時,得到的響應曲線比較滿意,具有反應快、超調小的特點,但系統存在靜差且不在允許的范圍內,所以需要加入積分環節。

(2) 然后確定積分部分:取比例系數為5,將積分時間由5逐漸減小到1(每次減小1),在調試的過程中,可以對參數進行適當的調整；當積分時間取1時,得到的響應曲線相對較好,但仍不能滿足設計要求,所以考慮加入微分環節。

(3) 最后確定微分部分:取比例系數為5,積分時間為1,將微分時間由0逐漸增大,在調試過程中根據實際情況適當地對比例系數和積分時間經行調整,最終得到了理想的控制參數。

利用試湊法對本恒溫控制系統進行PID參數確定,最終得到PID控制參數為:Kp=5,Ki=1,Kd=1。

3　Matlab程序設計

Matlab程序主要由數據通信模塊、溫度采樣模塊、PID控制模塊和控制過程動態顯示模塊4部分組成[12]。其中,數據通信模塊主要是用于Matlab軟件與多功能數據采集卡的數據傳送；溫度采樣模塊主要是對加熱爐溫度進行采樣,并對采樣數據進行處理；PID控制模塊主要是采用增量式PID控制算法,根據加熱爐溫度的變化對控制溫度的輸出量進行相應的調整；動態過程顯示模塊主要是把加熱爐的溫度變化和PID控制的輸出量以動態圖像的方式進行顯示。系統程序流程圖見圖4。

圖4　系統程序流程圖

4　增量式PID算法的恒溫控制實驗

將恒溫控制系統的設定溫度設定為60 ℃,采用增量式PID控制算法進行溫度控制實驗,實驗結果見圖5。

圖5　60 ℃恒溫控制曲線

從圖5可以看出,本恒溫控制系統對于加熱爐的溫度調節十分平穩,具有很好的控制效果。具體表現為加熱爐溫度低于設定溫度時,溫度迅速上升；溫度接近設定溫度時PID控制輸出量迅速下降,以減小系統超調量；系統溫度逐漸穩定時,恒溫控制系統的穩態誤

差≤1 ℃。本恒溫控制系統經過實際的運行,基本得到預期的效果,證明了本系統的可行性和實用性。

5　結論

本文通過PC、YL5010-485多功能數據采集卡、信號調理電路、K型熱電偶、加熱爐、冷卻風機等硬件搭建了基于Matlab的恒溫控制系統。基于該控制系統研究了恒溫控制的增量式PID控制算法,并編寫了Matlab程序實現了恒溫控制。實驗表明,該控制算法的控制效果較好,將恒溫控制系統的設定溫度設定為60 ℃時,系統溫度逐漸穩定時的穩態誤差≤1 ℃,滿足大多數應用場合的溫度控制需求。

References)

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[3] 王其利,李宗玉,欒新強.基于單片機的遠紅外烘干機溫度控制系統設計[J].電氣傳動自動化,2013,35(2):45-48.

[4] 李靜紅.基于單片機的溫室恒溫控制系統設計[J].農機化研究,2013,35(10):174-177.

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[6] 韋慶志.基于ARM的模糊PID溫度控制系統的研究[D].鎮江:江蘇大學,2010.

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[12] 葛哲學.精通MATLAB[M].北京:電子工業出版社,2008.

Study of constant temperature control system based on Matlab

Zhang Yeming, Wang Shuai, Li Bo, Chen Yongan

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000, China)

Based on the Matlab software, this paper designs the constant temperature control system. K type thermocouple was used to collect the temperature of the heating furnace. Matlab software processes the collecting temperature data by using the incremental PID control algorithm module.When the temperature below the set temperature, the heating furnace is started, when the temperature is higher than the set temperature, heating is stopped. At the same time, the cooling fan is started to maintain a constant temperature in the heating furnace.The experimental results show that the steady-state error of the temperature control system is less than 1 ℃.The effect of the temperature control system is satisfactory.

constant temperature system; heating furnace; Matlab; incremental PID control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.020

2015- 09- 17修改日期:2015- 10- 31

河南省高校基本科研業務費專項資金資助項目(NSFRF140120)；河南省高等學校精密制造技術與工程重點學科開放實驗室基金項目(PMTE201318A)；河南省教育廳科學技術研究重點資助項目(14B460033)；河南理工大學博士基金資助項目(B2012-101)；河南理工大學教育教學改革研究項目(2014JG061)

張業明(1979—),男,山東肥城,博士,講師,主要從事復雜機電系統設計、仿真、測量、控制等方面的教學科研工作.

E-mail:tazhangyeming@163.com

TP273

A

1002-4956(2016)3- 0075- 03