温度控制器的PID数字化实现探讨

单祥 胡海涛 李春鹏

摘要：现代测温系统中广泛使用的是基于PID调节的温控器，该技术具有实现简单、可消除稳态误差等优点，但市场上大多数该类仪器都是利用模拟PID控制器实现对温度控制的，而利用计算机软件来实现PID控制算法比模拟PID控制器具有更大的灵活性和可靠性。基于此，文章在模拟PID控制器的基础上研究了数字化PID控制器的实现方法。

关键词：温度控制器；PID技术；数字化；现代测温系统；计算机软件 文献标识码：A

中图分类号：TP272 文章编号：1009-2374（2016）18-0040-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.021

近些年，随着经济的发展与科学技术的进步，电阻炉在工业生产领域中逐渐得到广泛应用，不管是在冶金、电力行业，还是在石油化工及机械行业，其重大技术经济指标都离不开电阻炉的应用。电阻炉对温度控制的稳定性及可靠性对各大工业生产企业的发展起到重要的影响作用，且其温度测量与控制技术渐渐成为当前科技发展的重要技术之一。但在实际温度测控中，电阻炉存在较强的干扰性与滞后性，且电加热炉在升温控制中存在一定的单向性与时变性，因此仅仅采用数学方法很难保证参数的精确性。对温度的有效控制对整个活动起到最直接的影响作用。因控制对象多、存在因素复杂，使得温控手段更加多样化。在各种温控方法中，PID控制技术凭借其可有效避免稳态误差的优势，能够在很大程度上满足相关系统的应用需求，数字化PID技术更是以其比模拟化PID技术更灵活、可靠的特点得到大家的青睐。本文就以温度控制器的数字化PID实现为题来分析研究其实现过程。

1 数字化PID温控器设计总述

数字化PID温控器的整体设计示意图如图1所示。在这个以STC89C52单片机为核心的系统中，可以加热的电加热炉为控制对象，实时温度值为被控参数，电加热炉的预置温度可以在系统控制面板上通过几个相关的按键来设置，电加热炉的实时温度通过热电偶采集微弱的电压信号，经过信号放大和单片机的数据采集和模拟量输入，单片机会用内部的程序实现数字PID控制算法，PID的输出会作用于包含双向晶闸管的驱动电路，实现对电加热爐的功率调节。

2 硬件选型

2.1 单片机

STC89C52是采用Intel80C31内核的8位单片机，价格非常低廉，具有高性能、低功耗的特点，正常工作模式时的典型功耗仅为4～7mA，在引脚排列、硬件资源，指令系统上均完全兼容MCS-51系列单片机。本文就采用该款芯片，实验证明它能出色地完成程序设定的任务。

2.2 模/数转换功能模块

由于热电偶输出的电压信号为模拟量，为了使其信号能被单片机识别，需要进行A/D转换。在A/D转换芯片上，本文选择逐次逼近型8位A/D转换芯片ADC0809。片内有8路模拟开关，可输入8个模拟量。单极性，量程为0～5V。外接CLK为640kHz时，典型的转换速度为100μs。片内带有三态输出缓冲器，数据输出端可直接与数据总线相连。其性价比有明显的优势，可应用于对精度和采样速度要求不高的场合或一般的工业控制领域。

2.3 测温元件

本系统所应用的温度传感器为WRNM-0l的K型热电偶。热电偶主要对-50～1100范围内的不同形态静态物体的表面温度进行测量。

2.4 运算放大器

热电偶对毫伏级别的电压信号进行采集，信号相对较为微弱，需要采用差分运算放大器对电压信号进行适当放大，使其能够被单片机有效接收与处理。

本系统采用INA118运算放大器（由美国B-B公司生产），属于一种精密仪表放大器，此类放大器不仅精度高、功耗低，而且工作频带宽、共模抑制比高，能够有效放大各类微小信号。另外，INA118的电流反馈结构具有很大的独特性，即使增益较高，频带宽度也能保持较高水平。

3 数字化PID温控器的实现

3.1 模拟PID控制规律简介

由比例、积分和微分控制规律组成的比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器以及比例积分微分（PID）控制器可以用于不同需求的被控对象，获得比较满意的控制效果。比例控制器具有阶跃响应的特点，比例系数Kp越小，控制作用越弱，系统响应越慢；反之，比例系数Kp越大，控制作用越强，系统响应越快。比例控制器虽然反应速度快，但是却不能消除静差，而积分控制器能消除静差，但是动作缓慢，基于此将两者互补引入了比例积分控制器，在保证足够反应速度的前提下消除了偏差。积分控制可以消除静差，但同时也降低了系统的响应速度，当系统具有比较大的惯性和滞后特性时，用PI控制器很难得到较理想的动态调节品质，系统会产生较大的超调和振荡，这时可以在PI控制器中加入微分控制，在偏差刚出现或变化的瞬间就产生调节作用，使得系统可以根据偏差量的变化趋势提前给出控制作用（即微分控制作用），从而大大减小系统的动态偏差和调节时间，使系统的动态调节品质得以改善。本文中的PID温控器即是基于此原理来设计制造的。

3.2 PID控制规律的数字化实现算法

本文采用位置式PID控制算法，首先应将模拟PID控制算式进行数字化处理，然后在此基础上实现数字PID控制。为了得到离散数据，要对连续信号进行离散化处理，设定处理器每隔时间T对连续信号采样一次，通过数值逼近的方法来完成离散化处理。当采样周期T比较小时，积分相可用求和近似代替，微分项可用后项差分近似代替，于是有：

（1）

式中：t=kT，k=0，1，2，…；T为采样周期；k为采样序号；e（kT）简写成e（k），即省去T。

将式（1）代入式（2）中：

（2）

可得下列数字化的PID控制算式：

（3）

式中：u（k）为第k次采样时刻计算机运算的控制量；e（k）为第k次采样时刻的偏差量；e（k-1）为第k-1次采样时刻的偏差量。

由式（3）计算得到的控制量u（k）可直接用于控制执行机构的位置，u（k）的值与执行机构的位置是一一对应的。

3.3 位置式PID控制算法的程序编写

控制算法的编写采用Keil C51编写，它是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。因其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试功能得到了大家的青睐。首先对KP、TI、TD和T等参数进行设置，通过传感器对r（k），y（k）等参数采样输入，然后單片机按照图2框图中所示的算法对这些数据进行运算处理，最终输出适当的控制量，完成对温度的调节作用。

4 结语

不管是在冶金、电力行业，还是在石油化工及机械行业，其重大技术经济指标都离不开电阻炉的应用。电阻炉对温度控制的稳定性及可靠性对各大工业生产企业的发展起到重要的影响作用，且其温度测量与控制技术渐渐成为当前科技发展的重要技术之一。本文通过对基于PID控制原理的温度控制器的数字化分析，具体阐明了温控器的PID数字化设计相关技术原理。在硬件上，力求选用价廉质优、低功耗、高性能的电子元件。基于数字化PID技术设计的温度控制器可实现对温度的实时高效调控，市场应用价值相当宽广，目前在电阻炉、工业化工温度控制、实验室温控系统、农业温室大棚温度控制等领域都有很好的应用。本文所论述的数字化PID温控技术更是具有非常高的商业应用价值和发展前景。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）