PID溫度自整定控制系統及其實現

王培培

（施耐德電氣（中國）有限公司上海浦東分公司，上海 200000）

0 引言

溫度是工業對象中主要的被控參數之一，伴隨著科學技術的不斷發展，高精度的溫度控制器具有極其廣泛的應用前景[1]。高精度的溫度控制器目前主要應用于低溫實驗儀器或者設備的制作，工業氣體含水量的測定以及醫療、控制、電子器件等小環境領域。純滯后現象普遍存在于溫度控制系統中，這種情況下很容易引起系統超調和振蕩以及系統參數變化，且這種不可準確預計的變化大大增加了高精度溫度控制的難度[2]。傳統的溫度控制器更多地采用純模擬電路作為驅動控制部分[3]，但是設計模擬電路相對復雜，主要依靠經驗數據來調節控制參數, 控制精度低，目前很難做到動態調節[4]。

PID自整定的方法很多，經驗公式法很大程度上需要依靠個人的經驗；曲線衰減法則需要對被控對象建立完善的數學模型；啟發式推理技術需要專家系統和推理機制，而且計算量非常大[4]。在本系統中我們采用的是繼電型自整定法來實現對溫度參數的自整定功能[5]。由此設計的PID自整定的溫度控制方法，具有控制溫度精度高、范圍廣、速度響應快等優點。

1 PID自整定應用方法研究

1.1 方法概述

1.1.1 PID 自整定硬件電路設計概述

本設計基于DSPIC30F6014A單片機，主要由加熱接口模塊、加熱防死機模塊、PT100A/D轉換模塊、MCU PID自整定模塊等組成。主要工作原理如下所述。

（1）采用PT100作為溫度傳感器，其輸出信號為mV級。溫度傳感器的輸出端通過全電橋連接至信號放大處理電路，信號放大處理電路的輸出端連接至16位AD采樣芯片，AD芯片采樣2400個點并求平均值作為PT100的輸出值，根據溫度傳感器的輸出值與設定的溫度值進行比較和控制。

（2）當MCU運行時會不斷地向單穩態觸發器發送串行控制數據控制加熱棒正常工作，當MCU死機時則會停止發送控制數據，加熱棒就會被切斷控制停止工作。PID自整定結構圖如圖1所示。

圖1 PID 自整定結構圖

下面主要分兩部分來論述一下硬件電路的設計。

（1）電源變換電路。該系統采用±12V工作電源，MCU及其外圍數字電路的工作電壓是3.3V，還需要提供2.5V參考電壓，以及模擬電路中運放的負電源工作電壓等。

本系統采用DC/DC電源變換模塊，將±12V轉換為±5V，該模塊選用的是LM7805。再通過TPS77633將5V轉換為3.3V，通過UCC284將-5V轉換為-3.3V，主要給MCU及外圍數字電路供電以及模擬電路中運放的負電源工作電壓。2.5V參考電壓電路，選用的芯片為ADR219。

（2）基于DSPIC30F6014A的數字電路。基于單片機的外圍數字電路主要有：加熱接口模塊、加熱防死機模塊和PT100 A/D轉換模塊。

①加熱接口模塊。該模塊采用固態繼電器和光耦，通過加熱信號HEAT_OUT來控制固態繼電器的通斷，從而控制加熱棒的加熱時間。如圖2所示為加熱模塊的電路圖。加熱信號又是通過光耦器件來驅動固態繼電器的通斷。

圖2 加熱模塊電路

②加熱防死機模塊。當MCU運行時會不斷地向單穩態觸發器發送串行控制數據控制加熱棒正常工作，當MCU死機時則會停止發送控制數據，加熱棒就會被切斷控制停止工作。

③PT100A/D轉換模塊。采用PT100作為溫度傳感器，量程為0～400℃，其輸出信號為mV級。溫度傳感器的輸出端通過全電橋連接至信號放大處理電路，采用低功率、高精密放大器差分放大的方式進行信號處理，選用的放大芯片為INA118。原理圖如圖3所示。

圖3 PT100 信號放大處理電路

信號放大處理電路的輸出端連接至16位AD采樣芯片，AD芯片采樣2400個點并求平均值作為PT100的輸出值，根據溫度傳感器的輸出值與設定的溫度值進行比較和控制。溫度傳感器測得保溫箱內的環境溫度通過SPI通訊與MCU進行數據傳輸，并且每1s發送測量的溫度值給上位機進行顯示。本模塊選用的AD芯片為AD7694，圖4所示為AD7694的電路連接圖。

圖4 AD7694 的電路連接圖

2 PID算法簡介

PID中P是比例，是測量值與設定的定值之間的偏差乘以一個系數；I是積分，是對測量值與設定的定值之間的偏差進行積分運算；D是微分，對測量值與設定的定值之間的偏差進行微分運算。在工程應用中，最為廣泛的調節控制分為比例控制、積分控制和微分控制，簡稱PID控制。實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據測量值與設定的定值之間的誤差，利用比例P、積分I、微分D計算出控制量進行控制。PID控制具有結構簡單，工作可靠，穩定性良好和調整方便等優點從而成為現代工業控制的主要技術之一，如圖5。

圖5 PID 控制原理框圖

以下是PID參數的原則要求和整定方法。（1）原則要求：被控過程相對穩定，能迅速并準確地跟蹤設定值的變化，測量值與設定值之間的超調量小。在環境參數與系統發生變化時，控制應保持穩定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，可以根據具體的需求，滿足主要需求，并兼顧其它方面。（2）PID參數整定方法：理論計算法需要建立被控對象完善的數學模型；工程整定法和理論計算法完全不同，需要在現場對控制系統進行整定。

3 PID自整定控制算法

根據K.J.Astrom 提出的繼電振蕩法，通過描述函數法，經過推導，在自整定模式下，產生振蕩的條件為：

表1 Z-N PID 參數整定表

4 數字PID控制器及算法

這里用heat_time來表示加熱功率，heat_timel=4000表示滿功率加熱，heat_timel=0表示零功率加熱，0

5 結論

本系統使用上述的硬件電路以及所述的增量型PID控制算法，通過完整的系統測試，該溫度控制系統經過PID自整定算法控制加熱棒工作，能夠在30分鐘內使保溫箱內的溫度保持在設定的溫度值80℃±0.1℃范圍內，達到了技術指標要求的溫度精度以及穩定度，超調量也能滿足指標要求。除此之外，還可以通過上層軟件隨時修改PID的控制參數，實現方法簡單、控制效果良好。