基于位置式PID温控系统设计

刘吉名 ，白小峰，何世安

（中国电子科技集团公司第十六研究所，安徽省热管理技术工程实验室，合肥 230088）

引言

液冷源是为电子设备提供高稳定性冷却液的设备。对于电子设备的正常散热起到关键的作用。而高精度，高稳定的控制系统是液冷源的核心部份，主要根据设定供液温度的需求，控制压缩机、风机、阀件等被控对象，并且实时采集系统的供液温度、供液流量和供液压力等参数，同时对设备实时调节和处理报警信息。

本文提出采用32位单片机[1]STM32F103RBT6作为主控芯片，CPU运行主频可达到72 MHz。芯片内置16通道的12位逐渐逼近型模拟数字转换器，转换时间可以达到1.17 μs。采用PT100 RTD处理电路，通过三线制补偿测量温度系统，能有效避免恶劣工业环境下常见的接地环路干扰问题。

采用的位置式PID控制算法，执行器的动作位置与其输入信号呈一一对应的关系，实时跟踪供液温度，准确快速调节电加热功率和压缩机的能量投入。

1 系统整体结构设计

为了满足对温度信号进行同步采集的要求，使用STM32F103RBT6作为主控芯片进行数据采集和数据处理[2]，信号采集系统主要由主控芯片，电阻电容组成的复位电路、信号采集电路，电加热器控制电路、模拟信号产生电路，UART通信电路，继电器控制电路等部分构成，系统原理框图如图1所示。

现场模拟信号温度、压力和流量数据，通过模拟信号隔离器进入单片机模拟信号输入口。各路信号分别需要放大，滤波进行信号调理，放大后的数据进入单片机的A/D进行模数转换[3]，转换后的数据，通过串行接口传输到触摸屏显示，同时接收来自触摸屏实时控制指令，由程序进行实时控制电加热和压缩机，从而实现温度调节[4]，通过控制继电器的开关，给水泵、风机等负载加电或者去电。

控制系统采用PID闭环控制方式[5]，对于温度控制系统来说，将温度设定值与温度传感器实时测量信号比较得到偏差e，对u进行运算得到PWM信号占空比调节量u，进一步通过转换为模拟电压信号，加载到加热器两端，从而控制加热功率。PID原理图如图2所示。

2 系统硬件设计

2.1 STM32F103外围电路设计

STM32F103外围电路中采用有源晶振，应用电路简单，信号抗干扰能力强，电路工作稳定。

设计两路RS232串口电路，使用串口1进行单片机程序烧写。主控芯片供电采用3.3 V电源供电，模拟电源和数字电源之间，采用滤波器相连接，将电源正极和负极分别隔离，并且电源供电管脚增加滤波电容。

采用微功耗、高精度电压基准芯片ADR3433为模数转换参考电源，保证ADC的数据不会因为电源供电浮动，增加转换后的数据噪声。

2.2 温度采集与调理电路

温度采集电路适用三线制或者四线制PT100温度传感器，使用MAX6126恒压源芯片输出2.5 V直流恒定电压，采用OPA4340仪表放大器[6]组成信号调理电路，完成信号放大、滤波后，输入到单片机模数转换器，单片机软件处理出满足系统需求的精度数据。电路图如图3所示。

温度采集电路工作原理：该电路采用基准恒压MAX6126输出恒定电压信号2.5 V和轨到轨放大器OPA4340，基准电压经过放大器U4C的缓冲和增强作用，输入到电阻R14和R22分压网络和放大器U4A产生1.1 mA的恒流源，进一步输出到温度传感器，当温度变化时引起测温电阻的变化，进一步输入到U4B的同相输入端的电压也将会变化，调整电阻R16、R23、R24、、R32、R33阻值大小，ADC输入电压的范围的为0.1～3.2 V，其输出级接入RC滤波电路，用于降低带外的噪声干扰。电路设计了放大器U4D，可以消除PT100引线上的阻抗。其中分压网络中的电阻R14,R22以及放大器放大倍数调整电阻R16、R23、R24、、R32、R33均采用低温漂，精度为0.1 %的高精度电阻，保证电压放大的线性度和稳定性[7]。

图1 系统原理框图

图2 PID原理框图

由于液冷源供液温度范围为10～30 ℃之间，STM32集成的12位AD转换器。分辨率为4 096。为了提高温度采集精度，将通过调整温度信号调理电路的放大倍数，温度测量范围：0～100 ℃，对于到12位AD的分辨率，可以测量的最小温度变化范围：100/4 096=0.02 ℃。而系统需要控温精度在±0.5℃，温度采集精度满足控温需求。

2.3 负载电加热控制

液冷源系统中，使用负载电加热与压缩机制冷做热对抗的方式提高供液温度稳定性。

采用半桥电路形式[8]实现电加热控制，设计中引入滤波电路实现了PWM波形转换为直流电压信号和幅值可调。采用IR2183S芯片作为功率管驱动芯片，N沟道MOSFET功率管IRF2807，最大可以输出75 V、电流5 A的功率。采用位置式PID算法，控制、调节PWM输出占空比，进一步转化成电加热两端的电压幅值变化，实现温度精确控制[9]，电路如图4所示。

负载风机，水泵供电采用控制继电器实现加电和去电。

图3 温度采集电路原理图

图4 电加热控制原理图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

单片机控制软件控制模拟转换开关实现多路模拟量采集、位置式PID算法、传感器断路检测、温度超标预警、电加热精确控制、与触摸屏数据交互等多项任务，程序控制采用时间片轮询架构，避免多个任务执行中的CPU堵塞和程序死循环情况的出现。

引入Cortex-M3内核部分封装的滴答定时器，Sys-Tick在中断服务程序里，根据单个程序的执行时间，系统判断并实行任务。

软件配置将STM32工作主频为72 MHz，滴答定时器定时基准周期为2 ms，根据任务周期分别分配2 ms，20 ms，1 s等运行周期。程序段如下所示。

3.2 位置式PID算法设计

位置型PID控制算法[10]，适用于不带积分元件的执行器，执行器的运动位置与输入信号呈一一对应的关系。控制器根据第n次被控变量采样结果与设定值之间的偏差e(n)计算出第n次采样之后所输出的控制变量。位置式PID控制算法的数学表达式[11]为：

式中：

u(n-1)—第n-1次采样之后所输出的控制变量。第n次采样之后执行器的运动位置由控制变量u(n)的值决定。

由于被控对象涉及电加热管和压缩机的输出功率，控温原理：如果实际供液温度正向偏离目标值较大，提高压缩机的输出功率（制冷量），使温度快速降低至目标值附近，降低压缩机的输出功率，保持恒定的制冷量输出，同时运行电加热控温程序，调节电加热两端的输入电压。进一步达到热平衡的目的。

位置式PID计算程序如下：

4 结论

本文主要从硬件设计和软件设计两个方面，介绍了基于位置式PID算法的高精度温控系统。温度系统采集范围：0～100 ℃，控温测量范围：0～30 ℃，采用STM32单片机集成的12位AD，满足高精度数据采集分辨率的要求，单片机自身集成PWM发生器结合PID算法，实现了数字式的PID控制器，实现了电加热的精确控温，提高了温度控制的稳定性。通过测试可以得出，信号采集准确，控温精度高和稳定性较强，满足了0.5 ℃的控温要求。