基于改進PID算法的恒溫控制系統設計

李 海，羅 佳

（電子科技大學成都學院 微電子技術系，成都 611731）

0 引言

溫室大棚種植蔬菜已成為不可或缺的種植方式，特別是在嚴寒的冬季，溫度太低不利于大部分蔬菜的種植和生長，在溫室大棚如果不控制好溫度，有可能會造成蔬菜大棚收入全無?，F今很多溫室大棚都引入了恒溫控制系統，但大部分恒溫控制系統不靈敏，當沒達到目標溫度時加熱器就滿額全功率工作，一旦設備當前溫度達到目標溫度就不再進行控制，因加熱設備具有一定的慣性，最終導致溫度超標，難以精確控制溫度、誤差大且非線性。因此，筆者針對上述問題設計出了一種基于改進PID算法的高精度、高響應速度的溫度控制系統，可以應用于溫室大棚種植蔬菜。

1 系統的模塊化設計

本系統以STM32為核心處理器，當系統啟動時自動從24C02中查找上一次的參數和數據。若無數據或欲修改數據，用戶可通過按鍵設置想要達到的溫度值。然后處理器開始每200ms通過DS18B20采集一次溫度數據，并將解算后的當前溫度值傳入改進PID算法中[1，2]，最終計算得到一個輸出值，由這個值來調整PWM波的脈寬，進而控制繼電器工作，由繼電器的導通與關斷實現對PTC加熱器的控制。為了更好地監測程序運行效果，使用OLED將當前溫度值，設定溫度值以及PID算法輸出值進行顯示。

系統可分為六大部分：電源部分，測溫部分，PTC加熱部分，存儲部分，按鍵與顯示部分，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

1.1 主控制模塊

主控芯片是基于ARM-CortexM3內核的STM32F103ZET6，其最低工作電壓2V，最高工作電壓3.6V，且為低功耗器件，該芯片具有高效運算性能。在溫控系統中結合外圍硬件電路實現了溫度的實時采集、目標溫度的設定、加熱和人機交互功能，是整個系統的大腦[3～5]。

1.2 顯示模塊

顯示設備為一塊0.96英寸的OLED。其最低工作電壓3.0V，最高工作電壓5.5V。本次實驗選擇OLED為黑底藍字。整個屏幕分為8頁，每頁128Byte，即分辨率為128×64。共四根引腳：VCC、SCL、SDL、GND。顯示模塊與主控芯片之間通信采用IIC通信協議，STM32控制OLED顯示圖片、漢字、英文字符等。OLED具有可調設備地址，由硬件電路焊接電阻調節，其地址值為：0×78、0×7A。本實驗使用地址0×78。因其無需背光源，為OLED自發光，故而顯示成像優異。

1.3 溫度傳感器

測溫芯片為DS18B20，共有三根引腳：VDD、DQ、GND。芯片內部含有64位ROM存儲序列號，根據序列號可以唯一確定此設備。本次實驗的溫度測量范圍低于100℃，而DS18B20工作溫度范圍為-55℃至+125℃，符合設計要求。其轉換溫度時間受轉換精度影響。DS18B20的采集分辨率越高，轉換時間越長。本實驗采用10位精度（±0.25℃），并在187毫秒內將溫度轉換完成。

芯片最低工作電壓3.0V，最高工作電壓5.5V。此外，若電源線不夠，它可以通過數據線DQ供電。本設計為簡化實驗操作，使用查詢方式采集溫度數據，故采用外置電源，電路如圖2所示。

圖2 溫度傳感器電路原理圖

1.4 存儲電路

因系統工作過程中的PID參數以及用戶歷史操作數據需要保存，故在系統中引入了存儲器件AT24C02，該芯片為EEPROM，具有掉電不丟失功能。芯片具有8根引腳：A0、A1、A2、SDL、SCL、WP、GND、VCC。存儲芯片與主控芯片之間的通信方式是采用I2C通信協議[6]。設備地址由3位地址引腳A0、A1、A2調整，本實驗中24C02地址為0XA0。對芯片操作時，必須指定操作的芯片地址。WP為寫保護位，用來保護芯片是正常讀寫。當該引腳置低時，允許數據正常讀寫。

因此在電路中A0、A1、A2引腳由硬件拉低，表示地址號0XA0。WP引腳由硬件接地，表示允許電路讀寫。SCL與SDA引腳接上拉電阻，表示空閑狀態為高電平，電路設計如圖3所示。

圖3 存儲模塊電路原理圖

1.5 加熱模塊

本系統采用了PTC加熱板來進行溫度控制模塊。PTC加熱板為陶瓷加熱型材料，具有升溫快，功耗低，操作安全的特點。其工作電壓為12V，因為其工作時電阻自身發生變化，故能實現較低功耗以達到恒溫發熱的目的，最高升溫至110℃，最高功率10W。在系統中使用繼電器控制PTC加熱板的導通與關斷，通過PID算法程序輸出結果來決定繼電器工作或者關閉，進而控制溫度達到目標值。

2 改進PID算法與軟件系統設計

2.1 PID算法

傳統的PID控制算法通過P（比例）、I（積分）、D（微分）三個參數的調整來進行控制溫度，非常依賴精確的數學模型[7～9]，其數學模型為：

根據POUT、IOUT、和DOUT的計算結果綜合在一起輸出，即：OUT=POUT+IOUT+DOUT，這種算法稱為PID位置式控制。將式(1)～式(3)分別代入PID的各項輸出，可得：

由可知，u(t)即為算法輸出，這種位置式PID算法廣泛應用于傳統的溫度控制系統。但是其缺點是PID參數不是隨著系統溫度的變化而進行實時修正的，為此其傳統的溫度控制系統非線性、時滯性和時變性差，由于外界溫度復雜多變，所以本文提出一種改進性算法，進而提供系統的自適應性。這種改進PID算法是將外界溫度的變化通過溫度傳感器實時傳給主控芯片，主控芯片做出處理，將實時溫度T帶入整個傳統的PID算法中[10]，其具體過程如圖4所示。

圖4 改進PID算法控制器結構

改進后的PID數學模型為：

從上面數據模型可以看出將實時溫度T引入到整個PID算法中，適時修正PID參數，從而使得整個溫度控制系統更加精確。

2.2 軟件系統設計

當主控板上電后，則初始化系統SysTick，并由此時鐘可得精確延時函數，以供后續模塊操作。隨后初始化LED、OLED、按鍵、DS18B20與AT24C02。寫入OLED功能命令，使OLED正常顯示為系統提供交互界面。

因DS18B20轉換時間為187ms，故初始化定時器Timer2為2ms中斷，在定時器中斷函數中累加時間計數。時間到達與否，由其他子程序模塊檢測。因PID算法執行周期與PWM周期分別為500ms、200ms，故增加定時器Timer3為1ms中斷，在定時器中斷函數里分別累加計數值，當計時到達執行周期則相應子模塊執行一次PID算法。OLED顯示用戶上一次操作的情況并允許用戶通過按鍵更改參數。隨后讀取DS18B20溫度值并進行PID算法計算，實現控制PTC加熱器。整體軟件系統框圖如圖5所示。

圖5 程序整體框圖

3 仿真結果分析

因理論值具有相當大的誤差，仍然需要根據程序調整參數，故本設計直接根據實驗結果實現參數的確立，理論的計算僅供調整參數時參考[11，12]。在仿真時設定溫度為45℃作為系統的恒定溫度，系統開啟后最終穩定在該目標溫度。選取多組KP、Ki和Kd值實驗，并根據所得結果畫出折線圖如圖6～圖8所示。

圖6 Kp仿真圖

圖7 Ki仿真圖

圖8 Kd仿真圖

從仿真圖可以看出在設定溫度為45℃時，KP=45、Ki=775000和Kd=886時系統為最優。系統上電開始，等待用戶輸入參數值，隨后PID算法工作，并且LED燈閃爍提示系統運行正常。當DS18B20第一次達到溫度值時，溫度會持續上升，隨后溫度下降并在設定值SV左右波動，實驗結果如圖9所示。

圖9 仿真實驗結果

將改進PID算法控制系統進行建模，進行仿真，記錄數據，從結果上可以看出溫控系統響應快、控制靈敏、能承受較大干擾且實際誤差為0.05℃，最終將模型上板也得到了該結果驗證。

4 結語

為了提高溫度控制在各個領域的精確度和響應速度，筆者設計出了基于改進PID算法的溫度控制系統，通過仿真和具體電路驗證表明該系統比傳統的PID控制系統誤差更小，響應時間更快，提升了溫度控制效果，達到了恒溫精準、自動控制的目的。