利用分段PID算法研制小型温控腔体

2015-03-25朱辉，吴鹏

科技传播 2015年19期

关键词：阜阳温控腔体

朱辉，吴鹏

阜阳师范学院物理与电子科学学院，安徽阜阳 236041

利用分段PID算法研制小型温控腔体

朱辉，吴鹏

阜阳师范学院物理与电子科学学院，安徽阜阳 236041

文章介绍了利用分段PID算法研制的小型温控腔体，通过实测控制精度达到±0.2℃，温度的上冲不超过1℃，确保腔体内放置的激光头功率稳定。

PID；腔体；激光

温度控制广泛应用到激光器[1]、电炉[2]、热处理和偏光显微镜热台等方面，其中多数控制都是采用PID方法，并在实践中取得了较好的效果[1]。设计物理光学实验系统往往需要小型半导体激光头发射功率相对稳定。由于实验室温度的变化会影响激光头发射的功率进而影响实验效果，为此开发了一个温控小腔体来实现激光头的工作温度控制在一个相对恒定的区间。

1 PID控制算法简介

温度控制领域在近几十年来提出了很多的方案，其中PID控制算法具有实现易、控制效果佳和鲁棒性强等特点得到广泛的应用[3]。加之温度控制中被控对象的结构和参数由于外界的变化和测温点的选取不同难以掌握并获得精确的数学模型，最适用采用PID算法。

PID控制表现为通过测量系统的偏差e(t)和偏差的变化de(t)和累计来调整输出u(t)，其中kp,kd,ki分别为比例因子、微分因子和积分因子。通过合理的选择合理的因子就能获得较好的控制效果。

2 温控腔体的硬件实现

小型温控腔体硬件设置如图1所示。系统分为加热和控制两个部分。其中控制部分采用5V供电，加热部分采用24V供电，保障学生实验过程中的安全。控制核心芯片采用基于ARM® Cortex®-M4内核Freescale K60处理器，控制温度为略高于当日最高室温，加热采用加热片对称均匀加热。温度传感器PT1000通过电桥形成电压信号，经ADS1112采集后通过I2C接口发送给主控芯片。主控芯片除了驱动串口屏显示当前温度和最近30次控制的温度变化外，还通过串口发送给上位机进行记录。为了方便对温度和控制参数进行调整，该方案还设计了按键。

3 软件实现和结果分析

考虑到室温在一天中的变化，利用实时时钟预测当天最高温度，并在此基础上提高5℃为系统当天工作的设定温度。软件控制的目的一是要能快速的达到系统设定的温度；二是不能有较大的上冲；三是温度的精度要在正负0.2℃以内。

为了实现上述的目标。我们采用三段PID加一段全速加热的方法来实现控制系统的控制。如图2所示。当系统温度和设定的温度差值较大时，系统采用全功率加热；落入不同的温差范围时设置对应的P、I和D保证温度控制的高效和稳定。特别是为了防止上冲过高，除调整PID参数还对积分结果进行两个方面限制。一是加温进入到PID控制区域内才能开始积分，二是防止前期积分值较高对积分的总量进行限制。

经过实验获得了图3的腔体温度变化图，可以看出温度的上冲不超过1℃，控制精度达到了±0.2℃以内。系统达到稳定工作时间在20min以内，总体指标达到设计目标。