ＰＩＤ温度控制系统的设计

余剑敏

摘要:介绍以单片机为核心的PID控制温度控制系统,并给出了系统的硬件与软件设计方案。实验结果显示该系统的先进性。

关键词:温控系统单片机PID控制

中图分类号:TP273+.4文献标识码:B

0 引言

控制仪表性能指标对温度控制有很大的影响,因此,常采用高性能调节仪表组成温控系统对被控对象(温度)进行严格控制。本文介绍以单片机AT89C51为核心器件构成的温度控制系统,它具有测量、控制精度高、成本低、体积小、功耗低等优点,可制成单机,广泛应用于冶金、化工、食品加工等行业对温度进行精确控制。

1 温控系统结构与工作原理

温控系统的结构如图1所示。热电偶测量出电炉的实际温度(mv信号),经放大、线性化、A/D转换处理后送入单片机接口。由键盘敲入设定温度值,此值与经A/D转换过的炉温信号存在一差值(假如两者温度不一致),由单片机PID调节电路进行比例、微分及变速积分算法对温控箱进行恒温控制。该系统采用传统的AT89C52单片机,其硬、软件完全符合系统的要求,为满足测控精确度的要求,A/D电路选用12位转换器,分辨率为2-12。本系统采用三相数字过零触发器对六只晶闸管(Y/△接法均可)进行输出功率控制,即在电源电压过零时触发晶闸管,利用PID信号产生的控制信号使电流每周期按规定的导通波头数导通负载,达到控制输出功率,也就是控制炉温的目的。采用过零触发可减少电网谐波的产生,触发器与单片机光电隔离,可减少电网对微机的干扰,调功方式下电加温炉的平均功率为:P=3nU2/NR(1)

式中:P为输入电炉的功率;R为电炉的等效电阻;U为电网相电压;n为允许导通的波头数;N为设定的波头数。

注:公式(1)为负载Y接法适用

2 系统控制软件设计

2.1 PID参数的优化 系统采用遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)离线优化PID参数[1]。20世纪70年代由美国J.Holland教授提出的遗传算法(GA)[2]是一种模拟生物进化过程的随机化搜索方法。它采用多路径搜索,对变量进行编码处理,用对码串的遗传操作代替对变量的直接操作,从而可以更好的处理离散变量。GA用目标函数本身建立寻优方向,无需求导求逆等复导数数学运算,且可以方便的引入各种约束条件,更有利于得到最优解,适合于处理混合非线性规划和多目标优化。系统采用二进制编码选择来操作,我们称为染色体串(0或1),每个串表示搜索空间的一个点。它模仿遗传进化的步骤,引入如繁殖、交叉和变异的方法,在所求解的问题空间进行全局的、并行的、随机的优化搜索[3]。

本系统用GA算法对PID离散化表达式[3]中的3个PID参数KP、KI、KD进行离线优化设计,从而使系统的性能达到最优。本例中用C语言编写的算法流程图如图2所示。

取采样周期:T=80s;GA离线优化结果为:积分时间:TI=240s;微分时间:TD=80s;比例系数:KP=6;积分系数:KI=KPT/TI=2;微分系数:KD=KPTD/T=6。

2.2 变速积分PID控制算法 在传统的PID算法中,因积分增益KI为常数,故在整个调节过程中其值不变。但系统对积分的要求是:偏差大时,积分作用减弱,否则会产生超调,甚至出现积分饱和;反之则加强,否则不能满足准确性的要求[4]。引进变速积分PID控制算法能使控制性能得以满足。其基本思路为:偏差大时,积分累积速度慢,积分作用弱;偏差小时,积分累积速度快,积分作用强。为此,设置系数f[E(K)],它是偏差E(K)的函数,当[E(K)]增大时,f[E(K)]减小;反之则增大。每次采样后,用f[E(K)]乘E(K),再进行累加:

PI(K)=KI{ +f[E(K)]E(K)} (2)

式中:PI(K)表示变速积分的输出值。

f[E(K)]与E(K)的关系可表示为:

E(K)≤B

B<│E(K)│≤A+B

∣ │E(K)│>A+B

将P(k)代入PID算式,得:

P(K)=KPE(k)+KI{+f[E(K)]E(K)}+KD[E(k)-E(k-1)](3)

变速积分PID控制算法程序框图如图3所示。

在此系统中,采用简单的变速积分PID控制,经实验验证,取A=10,B=2效果良好。

2.3 系统主程序设计 系统的软件设计在89C52单片机上,由单片机控制的主程序包括初始化、显示面板管理及各子程序调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、温度显示、变速积分PID控制算法等功能的实现由各子程序完成。软件还包括对系统的保护和快速加温的切换等。软件流程图如图4所示。采样周期通过AT89C52的定时器T0和软件计数实现。

3 实验结果

实验中采用10kw电阻炉将温控对象从室温加热到300℃,并使炉温保持在此温度,温度值上下波动±0.5℃。测得系统的动态性能为:延迟时间td=150s,超调量σ=3.1℅,上升时间tr=650s,调节时间tc=320s。对于时间常数较大的温度控制系统,系统的动态性能指标较好。

4 结束语

基于PID温度控制系统的设计,硬件上采用单片机89C52,软件上采用遗传算法(GA)对PID参数离线优化、变速积分PID控制算法进行控制。该系统具有调试简单、精度高、体积小、可靠性好等优点。实验结果表明该方法可行且效率较高。

参考文献:

[1]扬德利,刘百勇,龚雪皓,等.半导体器件的遗传算法优化设计[J].半导体技术.2001(2):41 4.

[2]Holland JH.Adaptation in Nature and Artificial Systems[M].MIT Press.1992.

[3]李士勇.模糊控制·神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1998.111 119.

[4]陶永华,伊怡欣,葛芦生等.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社.1998.8.11.