基于IMC-PID的灼熱絲溫度控制系統設計與實現

趙明，任曉紅，李超

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

基于IMC-PID的灼熱絲溫度控制系統設計與實現

趙明，任曉紅，李超

（哈爾濱電工儀表研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

針對灼熱絲試驗裝置的溫度控制問題，采用IMC-PID控制方法對溫度控制系統進行設計，并對該控制系統進行了仿真分析和軟硬件實現。試驗結果表明，該溫度控制系統的升溫速度較快，調節時間較短，且具有良好的動態性能。

灼熱絲；溫度控制；控制系統設計；IMC-PID

0 引言

灼熱絲試驗裝置參照國標GB/T5169.10-2006、GB/T5169.11-2006、GB/T5169.12-2013 和相關智能電能表標準而設計，供電工電子產品進行著火危險試驗和阻燃性試驗使用[1]。本裝置類比熱源在短時間內所產生的熱應力，盡可能真實地模擬實際發生的效應來進行試驗。

灼熱絲試驗的步驟是：首先，將灼熱絲加熱到規定的溫度，其誤差不超過5K，恒溫時間不少于60s；其次，以規定的壓力灼燙被測樣品30s；最后，記錄下被測樣品和鋪底物的燃燒情況[2]。

溫度控制系統一般采用常規的PID控制方法，此方法存在一定缺陷[3]：被控量在時滯的作用下不能實時地反映系統所受的擾動，參數整定困難；系統調節時間長，超調明顯，閉環控制系統的相位裕度偏低，控制性能較差。為了改善常規PID控制方法存在的問題，筆者采用基于內模控制的IMC-PID控制方法，設計了溫度控制系統，并通過simulink對其進行了仿真與分析。試驗證明，系統能夠快速建立穩態、超調較小、溫度穩定，達到了國標的要求。

1 控制系統建模

1.1 系統的原理

本文設計控制系統的被控對象是灼熱絲，測量元件是溫度測量模塊和電流測量模塊，執行元件是可控硅，控制系統框圖如圖1所示。溫度測量模塊的功能是測量灼熱絲的溫度值，電流測量模塊的功能是測量通過灼熱絲的電流值。控制系統對溫度值和電流值實時采集，以溫度值作為反饋對通過灼熱絲的電流進行調節，最終實現對灼熱絲溫度的控制。

圖1 溫度控制系統框圖

1.2 模型建立

被控對象灼熱絲是一種固定規格的電阻絲環，主要成分是80%的Ni和20%的Cr，它的電阻值隨著溫度升高實時變化。因此，灼熱絲的加熱過程是一個復雜的物理現象，其數學模型很難精確獲得。一般溫度控制系統的數學模型是一個一階慣性環節，含有需要辨識的截止頻率，同時考慮系統中存在的時滯環節，就可以得到其傳遞函數為[4-6]：

需要辨識的是一個非線性模型，它的單位階躍響應曲線可以通過試驗的方法獲得。然后根據Ziegler-Nichols響應曲線法，通過MATLAB軟件算出未知參數K、T和τ，進而得到系統的近似傳遞函數為：

2 溫度控制系統設計

灼熱絲溫度控制系統的任務是將灼熱絲的溫度值保持在設定值上，因此系統主要考慮的是穩定性和抑制干擾。由于這種設計要求，本系統采用IMCPID控制方法進行控制系統設計。

2.1 PID控制規律

PID控制規律是對控制系統偏差的比例、積分和微分的整體控制。比例項P是系統偏差，直接反映在系統的增益上，系統的帶寬和動態性能直接與P有關；積分項I是系統偏差的累積值，其作用主要是消除系統的穩態誤差；微分項D是最近連續兩次系統偏差的差值，它的作用主要是增加系統的阻尼[7]。PID控制器的傳遞函數可以表示為下式：

2.2 IMC控制規律

內模控制（Internal Model Control，簡稱 IMC）是一種基于過程數學模型進行控制器設計的新型控制方法，該方法設計簡單、控制性能良好并且無需精確的被控對象模型。

2.3 IMC-PID控制器設計

本文采用對消法進行IMC控制器設計[8-10]，首先分解式（2）所示的溫度控制系統數學模型，得到下式：

然后在G-(s)上增加濾波器，以確保溫度控制系統的穩定性，最后得到所設計的IMC控制器的傳遞函數為：

在實際加熱過程中，系統參數隨著灼熱絲溫度的變化會發生改變，電網噪聲也會對控制性能產生影響。針對這種特殊情況，本文設計了一個具有一定穩定性的IMC-PID控制器，控制器框圖如圖2所示。圖2中G0(s)為系統真實的傳遞函數，G(s)為系統經過試驗辨識的傳遞函數，GIMC-PID(s)為系統IMC-PID控制器的傳遞函數，控制器框圖中的兩個G(s)可以互消，實際系統就是一個經典的反饋控制系統，這就是所設計的IMC-PID控制器。

圖2 IMC-PID控制器框圖

IMC-PID控制器的傳遞函數為：

采用相對誤差較小的全極點近似法把上式的時滯項展開，得到等效的傳遞函數為：

把式（7）按Maclaurin方法展開，計算整理后得到IMC-PID控制器的參數整定公式為：

在simulink中搭建仿真模塊，得到系統的溫度變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著值的減小，系統的響應速度變快；隨著值的增大，控制系統響應速度變慢，曲線變得平滑，系統穩定性增強。因此，在溫度控制系統的實際調試過程中要根據具體情況對值進行優化。

圖3 不同 值時溫度變化曲線

3 系統的軟硬件實現

灼熱絲溫度控制系統的硬件設計方案如圖5所示，它包括溫度測量模塊、電流測量模塊和溫度控制模塊三部分。

圖4 受到干擾后的溫度變化曲線

圖5 硬件設計方案

圖6 溫度測量模塊電路原理圖

3.1 溫度測量模塊

溫度測量模塊采用K型鎧裝熱電偶對灼熱絲的溫度進行測量，然后通過MAX6675芯片將熱電偶測得的模擬量轉化為數字量以串行通信的方式傳送給MCU。熱電偶的輸出熱電勢與測量端、冷端的溫度有關，而MAX6675內部集成了冷端補償電路和非線性校正電路，這樣減少了程序編制和調試電路的難度。溫度測量模塊的電路原理圖如圖6所示，熱電偶的輸入負極T-接地，并且盡可能地靠近MAX6675的引腳地；在MAX6675電源與地之間接入一個0.1μF的陶瓷電容，防止噪聲的干擾。

3.2 電流測量模塊

電流測量模塊采用精度和靈敏度較好的AD736芯片，將采樣電阻兩端的交流電壓轉換為直流電壓，然后通過MCU自帶的模數轉換功能獲得此數值，最后再經過計算就可以得到通過灼熱絲的電流值。電流測量模塊的電路原理圖如圖7所示。其中Cc為低阻抗輸入端，用于外接低阻抗輸入電壓，被測電壓經18μF的耦合電容與此端連接；Vin為高阻抗輸入端，直接接到模擬地上；正電源端+Vs和負電源端-Vs分別與模擬地之間接入一個0.1μF的陶瓷電容，防止噪聲的干擾；在CAV端接入一個47μF的電容，對芯片的測量精度進行了優化。

圖7 電流測量模塊電路原理圖

3.3 溫度控制模塊

溫度控制模塊是整個系統的核心模塊，該模塊包括過零檢測電路和可控硅控制電路。

過零檢測電路的功能是獲取市電的過零信號，電路原理圖如圖8所示。當市電的波形從正半周期向負半周期或負半周期向正半周期轉換時，如果電壓有效值超過0.7V，三極管導通，三極管集電極形成低電平；如果電壓有效值小于0.7V，三極管截止，三極管集電極形成高電平。這樣通過三極管的反復導通和截止，在SYN處形成100Hz的脈沖波形，MCU對其進行判斷檢測市電的零點。

可控硅控制電路原理如圖9所示，MOC3021為光電耦合雙向可控硅驅動器，用來驅動雙向可控硅BTA并起到隔離的作用，同時搭配100Ω觸發限流電阻和門極電阻，提高了電路的抗干擾能力。MCU通過控制CTRL端電壓值的變化來對可控硅的通斷進行調節，另外在可控硅的兩級間并聯了一個RC阻容吸收電路，對雙向可控硅進行過電壓保護。

圖8 過零檢測電路原理圖

圖9 可控硅控制電路原理圖

3.4 系統的軟件設計

灼熱絲溫度控制系統的軟件流程如圖10所示。程序首先進行初始化，設定相關變量和聲明相關子函數，然后進入主程序等待過零檢測中斷函數響應。待過零檢測中斷函數響應后，進入中斷函數，對中斷標志位清零，測量通過灼熱絲的電流值；待市電50次過零之后，對標志位Flag清零，測量灼熱絲的溫度值，最后根據IMC-PID控制方法對可控硅進行控制。

4 試驗結果

標定試驗溫度為650℃，利用灼熱絲試驗裝置來試驗所設計的IMC-PID控制器。設置試驗溫度為650℃，設置采樣時間為0.5s，通過試驗裝置上的RS485串口將采集到的試驗數據傳送到PC機上，最后得到的灼熱絲溫度變化曲線如圖11所示。

從圖11中可以看出，實際試驗曲線與仿真結果基本一致。試驗結果表明所設計的IMC-PID控制器具有較好的穩定性。

圖10 軟件流程圖

圖11 溫度變化曲線

5 結論

本文針對灼熱絲試驗裝置中的灼熱絲溫度自動控制問題設計了IMC-PID控制器，通過simulink仿真和試驗驗證，證明了該控制方法的有效性。所設計的控制系統具有良好的動態性能和較好的穩定性，溫度控制的穩定性完全滿足國標的要求。

［1］藍春浩，杜靖，王鑫，等.IEC 60695-2-10新版標準的解讀［J］.環境技術,2015,（2）:83-85.

［2］GB/T 5169.10-2006，電工電子產品著火危險試驗（第10部分）［S］.

［3］趙明.六自由度氣浮臺控制系統設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

［4］錢艷平，李奇，林相則.基于RNPI的動態時滯網絡主動隊列管理算法［J］.系統工程與電子技術，2008，（5）：917-921.

［5］趙占山，李曉蒙，張靜，等.一類時變時滯系統的穩定性分析［J］.控制與決策，2016，(11)：2090-2094.

［6］張國良，杜柏陽，孫一杰，等.基于預測控制的時滯多機器人編隊脈沖控制［J］.控制與決策，2016，（8）:1453-1460.

［7］Cheng ZHAO,Lei GUO.PID controller design for second order nonlinear uncertain systems［J］.Science China(Information Sciences)，2017，（2）：5-17.

［8］楊根，胡國文.基于內模控制的單相鎖相環研究［J］.電測與儀表，2014，（8）:98-102.

［9］張井崗，秦娜娜.串級不穩定時滯過程的內模控制器設計［J］.電子科技大學學報，2017，（1）:38-45

［10］冷月，楊洪耕，王智琦.一種基于二自由度內模控制的牽引網低頻振蕩抑制方法［J］.電網技術，2017，（1）:258-264.

Design and Implement of Glow-wire Temperature Control System Based on IMC-PID

ZHAO Ming，REN Xiao-hong，LI Chao
(Harbin Research Institute of Electrical Instrumentation，Harbin 150000，China)

According to the temperature control problem of glow-wire test apparatus，this paper designed the temperature control system with IMC-PID control method，then conducted stimulation analysis and realized the designed control system.The experimental results showthat:the temperature control systemhas a faster temperature elevation speed，shorter adjustment time and nice dynamic performance.

glow-wire；temperature control；design ofcontrol system；IMC-PID

TH7

A

1674-3229（2017）03-0048-05

2017-05-30

趙明（1986-），男，碩士，哈爾濱電工儀表研究所工程師，研究方向：控制科學與工程。