基于位置式PID溫控系統設計

劉吉名 ，白小峰，何世安

（中國電子科技集團公司第十六研究所，安徽省熱管理技術工程實驗室，合肥 230088）

引言

液冷源是為電子設備提供高穩定性冷卻液的設備。對于電子設備的正常散熱起到關鍵的作用。而高精度，高穩定的控制系統是液冷源的核心部份，主要根據設定供液溫度的需求，控制壓縮機、風機、閥件等被控對象，并且實時采集系統的供液溫度、供液流量和供液壓力等參數，同時對設備實時調節和處理報警信息。

本文提出采用32位單片機[1]STM32F103RBT6作為主控芯片，CPU運行主頻可達到72 MHz。芯片內置16通道的12位逐漸逼近型模擬數字轉換器，轉換時間可以達到1.17 μs。采用PT100 RTD處理電路，通過三線制補償測量溫度系統，能有效避免惡劣工業環境下常見的接地環路干擾問題。

采用的位置式PID控制算法，執行器的動作位置與其輸入信號呈一一對應的關系，實時跟蹤供液溫度，準確快速調節電加熱功率和壓縮機的能量投入。

1 系統整體結構設計

為了滿足對溫度信號進行同步采集的要求，使用STM32F103RBT6作為主控芯片進行數據采集和數據處理[2]，信號采集系統主要由主控芯片，電阻電容組成的復位電路、信號采集電路，電加熱器控制電路、模擬信號產生電路，UART通信電路，繼電器控制電路等部分構成，系統原理框圖如圖1所示。

現場模擬信號溫度、壓力和流量數據，通過模擬信號隔離器進入單片機模擬信號輸入口。各路信號分別需要放大，濾波進行信號調理，放大后的數據進入單片機的A/D進行模數轉換[3]，轉換后的數據，通過串行接口傳輸到觸摸屏顯示，同時接收來自觸摸屏實時控制指令，由程序進行實時控制電加熱和壓縮機，從而實現溫度調節[4]，通過控制繼電器的開關，給水泵、風機等負載加電或者去電。

控制系統采用PID閉環控制方式[5]，對于溫度控制系統來說，將溫度設定值與溫度傳感器實時測量信號比較得到偏差e，對u進行運算得到PWM信號占空比調節量u，進一步通過轉換為模擬電壓信號，加載到加熱器兩端，從而控制加熱功率。PID原理圖如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 STM32F103外圍電路設計

STM32F103外圍電路中采用有源晶振，應用電路簡單，信號抗干擾能力強，電路工作穩定。

設計兩路RS232串口電路，使用串口1進行單片機程序燒寫。主控芯片供電采用3.3 V電源供電，模擬電源和數字電源之間，采用濾波器相連接，將電源正極和負極分別隔離，并且電源供電管腳增加濾波電容。

采用微功耗、高精度電壓基準芯片ADR3433為模數轉換參考電源，保證ADC的數據不會因為電源供電浮動，增加轉換后的數據噪聲。

2.2 溫度采集與調理電路

溫度采集電路適用三線制或者四線制PT100溫度傳感器，使用MAX6126恒壓源芯片輸出2.5 V直流恒定電壓，采用OPA4340儀表放大器[6]組成信號調理電路，完成信號放大、濾波后，輸入到單片機模數轉換器，單片機軟件處理出滿足系統需求的精度數據。電路圖如圖3所示。

溫度采集電路工作原理：該電路采用基準恒壓MAX6126輸出恒定電壓信號2.5 V和軌到軌放大器OPA4340，基準電壓經過放大器U4C的緩沖和增強作用，輸入到電阻R14和R22分壓網絡和放大器U4A產生1.1 mA的恒流源，進一步輸出到溫度傳感器，當溫度變化時引起測溫電阻的變化，進一步輸入到U4B的同相輸入端的電壓也將會變化，調整電阻R16、R23、R24、、R32、R33阻值大小，ADC輸入電壓的范圍的為0.1～3.2 V，其輸出級接入RC濾波電路，用于降低帶外的噪聲干擾。電路設計了放大器U4D，可以消除PT100引線上的阻抗。其中分壓網絡中的電阻R14,R22以及放大器放大倍數調整電阻R16、R23、R24、、R32、R33均采用低溫漂，精度為0.1 %的高精度電阻，保證電壓放大的線性度和穩定性[7]。

圖1 系統原理框圖

圖2 PID原理框圖

由于液冷源供液溫度范圍為10～30 ℃之間，STM32集成的12位AD轉換器。分辨率為4 096。為了提高溫度采集精度，將通過調整溫度信號調理電路的放大倍數，溫度測量范圍：0～100 ℃，對于到12位AD的分辨率，可以測量的最小溫度變化范圍：100/4 096=0.02 ℃。而系統需要控溫精度在±0.5℃，溫度采集精度滿足控溫需求。

2.3 負載電加熱控制

液冷源系統中，使用負載電加熱與壓縮機制冷做熱對抗的方式提高供液溫度穩定性。

采用半橋電路形式[8]實現電加熱控制，設計中引入濾波電路實現了PWM波形轉換為直流電壓信號和幅值可調。采用IR2183S芯片作為功率管驅動芯片，N溝道MOSFET功率管IRF2807，最大可以輸出75 V、電流5 A的功率。采用位置式PID算法，控制、調節PWM輸出占空比，進一步轉化成電加熱兩端的電壓幅值變化，實現溫度精確控制[9]，電路如圖4所示。

負載風機，水泵供電采用控制繼電器實現加電和去電。

圖3 溫度采集電路原理圖

圖4 電加熱控制原理圖

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

單片機控制軟件控制模擬轉換開關實現多路模擬量采集、位置式PID算法、傳感器斷路檢測、溫度超標預警、電加熱精確控制、與觸摸屏數據交互等多項任務，程序控制采用時間片輪詢架構，避免多個任務執行中的CPU堵塞和程序死循環情況的出現。

引入Cortex-M3內核部分封裝的滴答定時器，Sys-Tick在中斷服務程序里，根據單個程序的執行時間，系統判斷并實行任務。

軟件配置將STM32工作主頻為72 MHz，滴答定時器定時基準周期為2 ms，根據任務周期分別分配2 ms，20 ms，1 s等運行周期。程序段如下所示。

3.2 位置式PID算法設計

位置型PID控制算法[10]，適用于不帶積分元件的執行器，執行器的運動位置與輸入信號呈一一對應的關系。控制器根據第n次被控變量采樣結果與設定值之間的偏差e(n)計算出第n次采樣之后所輸出的控制變量。位置式PID控制算法的數學表達式[11]為：

式中：

u(n-1)—第n-1次采樣之后所輸出的控制變量。第n次采樣之后執行器的運動位置由控制變量u(n)的值決定。

由于被控對象涉及電加熱管和壓縮機的輸出功率，控溫原理：如果實際供液溫度正向偏離目標值較大，提高壓縮機的輸出功率（制冷量），使溫度快速降低至目標值附近，降低壓縮機的輸出功率，保持恒定的制冷量輸出，同時運行電加熱控溫程序，調節電加熱兩端的輸入電壓。進一步達到熱平衡的目的。

位置式PID計算程序如下：

4 結論

本文主要從硬件設計和軟件設計兩個方面，介紹了基于位置式PID算法的高精度溫控系統。溫度系統采集范圍：0～100 ℃，控溫測量范圍：0～30 ℃，采用STM32單片機集成的12位AD，滿足高精度數據采集分辨率的要求，單片機自身集成PWM發生器結合PID算法，實現了數字式的PID控制器，實現了電加熱的精確控溫，提高了溫度控制的穩定性。通過測試可以得出，信號采集準確，控溫精度高和穩定性較強，滿足了0.5 ℃的控溫要求。