基于Matlab的恒温控制系统研究

张业明, 王　帅, 李　博, 陈永安

(河南理工大学 机械与动力工程学院, 河南 焦作　454000)



基于Matlab的恒温控制系统研究

张业明, 王帅, 李博, 陈永安

(河南理工大学 机械与动力工程学院, 河南 焦作454000)

以Matlab软件为核心,对恒温控制系统进行设计。利用K型热电偶对加热炉的温度进行采样,Matlab软件利用增量式PID控制算法程序模块对采集的温度数据进行处理。当采集温度低于设定温度时,启动加热炉;当温度高于设定温度时,停止加热,同时启动冷却风机,使加热炉保持恒定。实验结果表明:该恒温控制系统的稳态误差小于1 ℃,控制效果满意。

恒温系统； 加热炉； Matlab； 增量式PID控制

在科学实验、工农业生产及家庭生活等各个领域,温度控制系统都得到了广泛的应用[1-2]。恒温控制系统作为一种十分常见的温度控制系统,其目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上,且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某一给定值[3]。

目前,有关PID恒温控制系统的研究不断增多,常见的有基于单片机的温度控制系统、基于DSP的PID温度控制系统、基于ARM的模糊PID控制系统等[4-6]。有关Matlab的PID恒温控制系统的研究还比较少,基于Matlab软件强大的科学计算和数据处理能力,本文提出一种基于Matlab软件的PID恒温控制系统。

1　系统硬件设计

整个恒温控制系统主要由PC(配置Matlab软件)、YL5010-485多功能数据采集卡、信号调理电路、K型热电偶、加热炉、冷却风机、RS232转RS458转换器以及USB转RS232数据线组成。其中E型热电偶对加热炉进行温度采集,其使用温度为-200～1 300 ℃。USB转RS232数据线和RS232转RS458转换器用于接口转换和数据转送。YL5010-485多功能数据采集卡用于数字信号与模拟信号之间的转换和数字量的输入输出。信号调理电路用于将传感器采集的温度信号转换成标准的0～5 V电压信号并送入YL5010-485多功能数据采集卡。系统硬件结构框图见图1。

图1　系统结构框图

2　PID算法及参数确定

2.1PID控制原理

基于偏差的比例(proportional)、积分(integral)和微分(derivative)的综合控制,简称PID控制[7]。PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计得简单却有效的控制算法。由于其算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点,PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中[8]。常规的PID控制系统原理框图见图2。

图2　PID控制系统原理框图

PID控制是一种线性控制方法,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-y(t)。对偏差e(t)进行比例、积分和微分运算,将3种运算结果相加,就得到PID控制器的控制输出u(t)。在连续时间域中,PID控制器算法表达式为

(1)

式中:Kp为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数[9]。

2.2增量式PID控制算法

增量式PID算法是对位置型PID算法进行改进后得到的一种新算法,具有误动作时影响小、便于实现无扰动切换、算式不需要累加等优点[10]。增量式PID控制算法的结构框图见图3。

图3　增量式PID控制结构框图

增量式PID算法的表达为

(2)

2.3基于试凑法的PID参数确定

试凑法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线,然后根据PID参数对系统响应的影响反复试凑参数,以达到理想的实验效果,从而得到合适的PID参数。对参数的主调试实行先确定比例部分,再确定积分部分,最后确定微分部分的整定方法[11]。本恒温系统PID参数确定过程如下:

(1) 首先确定比例部分:将比例系数由1逐渐增大到10(每次增加1),并观察相应的系统响应曲线的变化；当比例系数取5时,得到的响应曲线比较满意,具有反应快、超调小的特点,但系统存在静差且不在允许的范围内,所以需要加入积分环节。

(2) 然后确定积分部分:取比例系数为5,将积分时间由5逐渐减小到1(每次减小1),在调试的过程中,可以对参数进行适当的调整；当积分时间取1时,得到的响应曲线相对较好,但仍不能满足设计要求,所以考虑加入微分环节。

(3) 最后确定微分部分:取比例系数为5,积分时间为1,将微分时间由0逐渐增大,在调试过程中根据实际情况适当地对比例系数和积分时间经行调整,最终得到了理想的控制参数。

利用试凑法对本恒温控制系统进行PID参数确定,最终得到PID控制参数为:Kp=5,Ki=1,Kd=1。

3　Matlab程序设计

Matlab程序主要由数据通信模块、温度采样模块、PID控制模块和控制过程动态显示模块4部分组成[12]。其中,数据通信模块主要是用于Matlab软件与多功能数据采集卡的数据传送；温度采样模块主要是对加热炉温度进行采样,并对采样数据进行处理；PID控制模块主要是采用增量式PID控制算法,根据加热炉温度的变化对控制温度的输出量进行相应的调整；动态过程显示模块主要是把加热炉的温度变化和PID控制的输出量以动态图像的方式进行显示。系统程序流程图见图4。

图4　系统程序流程图

4　增量式PID算法的恒温控制实验

将恒温控制系统的设定温度设定为60 ℃,采用增量式PID控制算法进行温度控制实验,实验结果见图5。

图5　60 ℃恒温控制曲线

从图5可以看出,本恒温控制系统对于加热炉的温度调节十分平稳,具有很好的控制效果。具体表现为加热炉温度低于设定温度时,温度迅速上升；温度接近设定温度时PID控制输出量迅速下降,以减小系统超调量；系统温度逐渐稳定时,恒温控制系统的稳态误

差≤1 ℃。本恒温控制系统经过实际的运行,基本得到预期的效果,证明了本系统的可行性和实用性。

5　结论

本文通过PC、YL5010-485多功能数据采集卡、信号调理电路、K型热电偶、加热炉、冷却风机等硬件搭建了基于Matlab的恒温控制系统。基于该控制系统研究了恒温控制的增量式PID控制算法,并编写了Matlab程序实现了恒温控制。实验表明,该控制算法的控制效果较好,将恒温控制系统的设定温度设定为60 ℃时,系统温度逐渐稳定时的稳态误差≤1 ℃,满足大多数应用场合的温度控制需求。

References)

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[3] 王其利,李宗玉,栾新强.基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计[J].电气传动自动化,2013,35(2):45-48.

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[6] 韦庆志.基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究[D].镇江:江苏大学,2010.

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[12] 葛哲学.精通MATLAB[M].北京:电子工业出版社,2008.

Study of constant temperature control system based on Matlab

Zhang Yeming, Wang Shuai, Li Bo, Chen Yongan

(School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000, China)

Based on the Matlab software, this paper designs the constant temperature control system. K type thermocouple was used to collect the temperature of the heating furnace. Matlab software processes the collecting temperature data by using the incremental PID control algorithm module.When the temperature below the set temperature, the heating furnace is started, when the temperature is higher than the set temperature, heating is stopped. At the same time, the cooling fan is started to maintain a constant temperature in the heating furnace.The experimental results show that the steady-state error of the temperature control system is less than 1 ℃.The effect of the temperature control system is satisfactory.

constant temperature system; heating furnace; Matlab; incremental PID control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.020

2015- 09- 17修改日期:2015- 10- 31

河南省高校基本科研业务费专项资金资助项目(NSFRF140120)；河南省高等学校精密制造技术与工程重点学科开放实验室基金项目(PMTE201318A)；河南省教育厅科学技术研究重点资助项目(14B460033)；河南理工大学博士基金资助项目(B2012-101)；河南理工大学教育教学改革研究项目(2014JG061)

张业明(1979—),男,山东肥城,博士,讲师,主要从事复杂机电系统设计、仿真、测量、控制等方面的教学科研工作.

E-mail:tazhangyeming@163.com

TP273

A

1002-4956(2016)3- 0075- 03