一种应用于温度控制系统的PID控制电路设计

蔡璇 闫加胜 梅洁颖

【摘要】在热分布式质量流量测试系统中，利用恒温差法测量流量，因此对温度控制系统的精确直接关系到流量测试的精确度。本文主要介绍了一种手动调试的PID 控制方法，通过调节PID电路中参数来使得温差信号保持在一个稳定的值，文章中首先对PID控制电路的基本原理做了简单地介绍，设计出电路并且绘制PCB电路板，对电路板进行调试并且将其应用于实际热式质量流量测试系统中，实验证明该电路可以达到控制效果。

【关键词】PID控制;温度控制;流量测试;恒温差

Abstract：In the heat distributed mass flow measurement system ，constant temperature difference method is used to measure flow，so is precise in temperature control system is directly related to the accuracy of the flow test.This paper mainly introduces a kind of manual debugging PID control method，by adjusting the PID parameters to make the difference in temperature signal circuit is kept in a stable value，the article first done to the basic principle of PID control circuit is introduced simply，design circuit and draw PCB circuit boards，circuit board for debugging and applied to the actual thermal type mass flow testing system，the experiment proved that the circuit can achieve the control effect.

Keywords：PID control;the temperature control;flow test;constant difference in temperature

引言

在现代控制领域中，高精度温度控制是最重要的研究课题之一。随着科学技术的飞速发展，各种行业对温度精度的要求越来越高，对温控系统稳定性要求也越来越严格。本文主要研究一种应用于温度控制电路的手动调节PID控制方法，PID控制是一种负反馈控制，是一种比较精确的常规控制，并具有以下优点：原理简单、使用方便;适应性强，可广泛的應用于各种场合和工业部门;鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。因此，PID控制已成为日前温度控制中最基本的控制力式[1]。

在热分布式质量流量测量系统中，利用恒温差测量时，常常要求温差信号能够维持在一个比较稳定的值，但是测量得到的温差信号往往会有超前或者滞后的特点，通过采用PID控制方法，调节电路中P、I、D各部分的参数比例可以解决温差输出信号的超前或滞后问题[2]，从而得到比较稳定的温差信号。

1.PID控制原理

PID控制电路主要由比例电路、积分电路以及微分电路构成：

（1）比例环节：比例电路可以成比例的反映控制系统的偏差信号，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差，比例控制反映快，但对于某些系统，可能存在稳态误差，增大比例系数，系统的稳态误差减小，但稳定性可能变差。

（2）积分环节：用于消除稳态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越大，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强，积分环节可以使系统的频带变窄。

（3）微分环节：微分环节反映偏差信号的变化速率，具有预见性，能预见信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期的修正信号，从而加快系统的响应速率，减小调节时间。

在本系统中主要采用PI电路，PI电路中比例电路主要影响响应速率，比例参数越大，响应速度越快，但是当比例参数太大时，会引起比较大的超调和振荡，使得整个系统不稳定。积分参数主要影响静态精度，消除静差，当系统处于稳定状态时，积分参数越大，积分速度会越慢，在偏差较大时，PI控制主要以提高系统动态响应速度为主。

2.PID控制电路原理图

本文所设计的PI控制电路中包括第一级放大电路、比较电路以及PI电路，第一级放大电路以及PI控制电路中主要采用运放OP07，比较电路则采用运放AD620。在电路中比例电路中反馈电阻以及积分电阻采用滑动变阻器，便于调节比例参数以及积分参数。电路原理图如图1所示：

如图1所示，在测试系统中由前级电路输出的信号首先通过电路中第一级放大电路，然后将放大输出信号与标定电压进行比较，通过AD620输出电压差信号记为U1，AD620的放大倍数与它的1管脚以及8管脚之间的增益电阻有关，计算公式为：

其中G为AD620放大增益。

将U1通过PI电路进行调节，其中Kp=-RH2/R7，积分时间常数τ=RH1*CJ1，CJ1微积分电容，积分参数Ki=-1/τ，其中RH1与RH2为可调电阻。

由于PI控制电路后续电路为恒流源加热电路，恒流源加热电路直接驱动置于热式质量流量外壁上的加热丝，因此通过PI电路将AD620输出的电压差控制在稳定值，进而控制加热电路的输出使其保持在稳定值。

图2 流速为0.006L/S时系统输出波形变化

3.实验结果

将PI控制电路接入流量测量系统的整体电路中，在实验中将流量计中流速调节为0.006L/S，调节比例参数以及积分参数，调节参数时需要主意的是应该先调节比例参数，比例参数由小增大，积分参数调节至最大。将比例电路的参数调节增大至Kp=1.6，此时加入积分电路，积分电路中积分电容值为CJ1=0.1uF，积分电阻可调节，将积分电阻值调节为RH1=3.6KΩ，此时积分时间常数为τ=0.36ms，信号波形变化趋于稳定，通过示波器观察加热电路输出波形曲线如图2所示。

由图2可以看出，加热丝上的温度经过一段时间的响应变化之后逐渐平稳，响应时间为70S，平衡时电压输出为3.510V。

当流量计中流速增大为0.014L/S时，用示波器观察加热电路输出如图3所示：

图3 流速为0.014L/S时系统输出波形变化曲线

由图3可以看出，曲线变化响应时间为72S，平衡时输出电压值电压值为4.320V。

4.实验结论

由图2以及图3实验结果可以看出PI控制电路可以达到控制要求，使得加热丝上的温度最终维持在一种平衡状态，并且实验具有重复性，因此该设计符合实验要求。

参考文献

[1]周黎英.模糊PID控制算法在恒速升温系统中的应用[J].仪器仪表学报，2008，29（2）：405-409.

[2]何爱香.一种新型高精度温度控制方法[J].计算机仿真，2009，26（9）：120-123.

作者简介：蔡璇（1989—），女，硕士研究生，现就读于中北大学，主要研究方向：通信与信息系统。