基于PID算法的实验室用恒温数字控制系统设计

白显会

摘要：本系统控制算法采用了PID增量式算法，温度传感器AD590来检测温度，测温电路把温度变化转换成电压变换，通过A＼D转换后送入温度数字控制器与给定值进行比较。经控制器控制运算后得到可控硅合适的触发脉冲，从而调节加热器或风扇两端的电压形成控制作用，达到温度保持恒定的目的。

关键词：控制器;PID控制算法;AD590;A＼D转换;可控硅;触发脉冲。

在工农业生产过程中，广泛存在需要保持恒温的温度控制系统。PID控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的的优点，是工业过程控制中一种广泛采用的控制方法，已从模拟控制发展到数字控制，技术还在不断提高，并且积累的经验也越来越多。由经验表明：在连续控制系统中，当对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制算法是一种比较好的控制方法。而温度对象一般都可以看作是带纯滞后时间的一阶惯性环节，用PID控制算法就可以对其进行很好的调节。本文采用数字PID算法来设计了一恒温数字控制系统，可应用于实验室孵蛋箱、细菌培育箱等需要恒温控制的地方。

1系统概述

系统采用温度检测电路检测温箱内的温度，所得到的检测信号经A/D转换器转换后送入PID控制器与系统给定值比较得出偏差，经过控制器控制运算后得到可控硅合适的触发脉冲，由这个脉冲控制可控硅的导通，从而达到温箱温度保持恒定的目的。

2恒温数字控制系统的构成

恒温数字控制系统包括硬件和软件两部分。硬件是数字控制系统的物质基础。它在软件的协调下运行，实现对被控对象参数的检验，完成对被控对象的控制任务。硬件包括：主机，外部设备，传感器和变送器，功率放大和执行机构，模拟量输入通道，模拟量输出通道，开关量输入和输出通道，接口电路和电源。控制系统的软件，指的是它的全部程序，包括系统软件和应用软件两大类。

3恒温控制系统的软硬件设计

3.1系统原理设计

该系统的原理图如图3.1-1所示。我们把采集来的温度值经过数字化处理后与给定值比较，得到的差量作为PID控制器的输入，由PID控制器的输出来控制可控硅。

根据原理图我们可设计出硬件电路，本系统利用AD590温度传感器电路把温度采集量转换成0～5V的电压，再由A/D变换器变成数字信号后，送给控制器80C52单片机。单片机根据系统给定的温度和实际测量的温度求出系统偏差e，再利用PID算法求出控制量U（k）。通过U（k）来决定输出触发脉冲的宽度，从而控制可控硅的导通时间最终达到控制温度的目的。还有用8255A芯片来扩展I/O口，PA口接测量显示的LED，PB口接给定温度显示的LED，PC口控制LED数码管的选通，8255A的地址通过锁存器74L373选择，这样就很好的解决了单片机端口资源不足的问题，并且各个模块功能清晰。系统还具有温度预警提示功能。

3.2对象分析

假如我们对一个具体被控对象温箱的静态和动态特性进行研究的话，可以发现该系统存在储能元件，使系统对外界的作用具有一定的惯性（这种惯性在我们的控制系统里面用一个惯性时间常数T来描述）。在加热和降温过程中，会因加热丝的物理特性和对象的升温特性等原因引入一些时间过程上的滞后（这种时间过程上的滞后在我们的控制系统里面用一个过程时间滞后常数 来描述）。实验和经验表明，温箱对象都可近似看做是带纯滞后的一阶纯滞后环节，所以得出恒温数字控制系统的对象传递函数为：

或                  （3.2-1）

式中为纯滞后时间，它比T1，T2小得多。在我们恒温控制系统中，总会存在外界的干扰以及系统本身各种参数的变化，这些参数的变化可能使系统的性能变差。为了改善系统的性能，提高系统的调节品质，我们除了按偏差的比例调节外，引入偏差的积分，以克服余差，提高控制精度，加强系统对参数变化的适应能力。另外，我们引入偏差的微分来克服惯性上的滞后，以提高系统的抗干扰能力和稳定性。所以根据对象的特性我们采用了PID算法作为我们此系统的控制算法。

3.3数字PID算法程序设计

数字PID算法一般常用的算法有位置式算法、增量式算法。根据我们对温度对象的分析这里我们采用增量式温度算法来设计程序。PID控制的理想微分方程为：

（3.3 -1）

式3.3-1中，e（t）=x（t）-y（t）称为偏差值，可作为调节器算法的输入值，其中x（t）为给定值，y（t）测量值， 为比率系数; 为时间常数; 为微分时间常数; 为调节器的控制电压信号。但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换。若设温度的采样周期为T，第n次采樣得到的输出偏差为 ，调节器输出为 ，则有：

这样3.3-1式可写成U（k）=U（K-1）+PP+PI+PD（根据此式可写出PID控制程序）。

4结语

本系统算法采用了PID增量式算法，做到了超调量尽可能的小， PID控制器的具有结构简单、鲁棒性强、参数易于调整、自适应能力强等特点，在生产过程控制系统中是一种最普遍采用的控制方法[4]。在工业过程控制中，由于很难建立对象的精确数学模型，系统的参数又经常发生变化，所以人们往往采用PID控制技术，参数根据经验进行在线调整，从而得到满意的控制效果。硬件电路的微控制器采用了80C52单片机，设计过程采用层次化设计。本恒温控制系统满足了实验室细胞、细菌等的培养对温度控制的要求，如果有不完善的地方希望同行指正！

参考文献：

[1]胡寿松. 自动控制原理（第五版）[M]. 北京：科学出版社，2019

[2] 余永全，汪明慧等.单片机在控制系统中的运用[M].北京：电子工业出版社，2003

[3] 李正军.计算机控制系统（第3版）[M].北京：机械工业出版社 ，2015

[4]余孟尝. 数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999