PDF《基于 PID 算法控制的智能 温控系统的实现》

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2006 年第

11 期 湖南文理学院基金项目(JJQD06008) 中国仪器仪表 应用研究 目前,市场上流行的程序温控仪大多以

8031 为CPU,都辅有很多的外围电路.

而且多数程序温控仪 没有自整定能力,只能靠人工设定 PID 参数,需要有 经验的技术人员根据被控对象的阶跃响应曲线,通过 大量的试验和试凑的方法来确定控制对象的PID参数. 单片机 P89LPC932 具有功能强大、速度快、价格 便宜等特点.用此芯片做 CPU 只需较少的外围电路即 可实现温度控制系统的硬件设计,通过有效的 PID 控 制可做到测量灵敏度为 0.01℃,控制误差为 0.1℃. 从用户的角度来说,程序温度控制仪最好直接带有自 整定 PID 参数的功能,这样不仅可以避免人工整定参 数不准的问题,又可缩短整定时间.本设计消除了在 办公室和工作现场来回设定参数的麻烦. 1.1 系统工作原理 用于检测温度的热电偶,其电压信号放大后,由 单片机通过软件编程直接实现 A/D 转化,与设定温度 比较,按PID 调节法和脉宽调功法,计算出该时刻的 调功控制值,经光电隔离器输出合适的调功信号到继 电器,以控制交流接触器电源电压的通断,从而决定 电热器加热与否.此调功量一直持续到下一个调功周 期送出新的调功量为止. 1.2 系统硬件构成 LPC932 是一款单片封装的微控制器适合于许多要 求高集成度低成本的场合,可以满足多方面的性能要 求.如图

1 所示,本系统应用了其 SPI、CCU、EEPROM、 UART 和模拟比较等功能模块, 而不需要像传统温控仪 需要外加 A/D 转化和 EPPROM 芯片, 这样可大大减少元 器件的数目、电路板面积以及系统的成本. 温度传感器采集的电压信号经放大处理后直接送 到CPU 的模拟比较功能模块,通过软件编程可直接实 基于 PID 算法控制的智能 温控系统的实现 An Inexpensive Intelligent Temperature Controller Controlled by A New MCU 湖南文理学院(湖南常德 415000)蔡剑华 胡惟文 王先春 摘要: 本文介绍了一种基于 PID 算法控制且带 PID 参数自整定的智能温控系统.给出了系统各部分的实 现方法, 详细讲述了本设计巧妙的 A/D 转化和 PID 参数自整定的原理及软件实现, 最后简要提及了本设计的 应用实践及其应用前景. Abstract:A type of intelligent temperature controller system, with self-tuning function for PID parameters, which is controlled by PID, is stated. First the realization of the system is presented, then the artful principle of the self-tuning algorithm and the A/D converter and the design of software are introduced in detail. A brief outline of the implementa- tion is discussed last. 关键词:A/D 转化 PWM 信号调制 PID 控制 自整定 Key words: A/D convert PWM signal modulate PID control Self-tuning

1 温控系统的硬件实现

2006 年第

11 期58 湖南文理学院基金项目(JJQD06008) 中国仪器仪表 应用研究 现A/D 转换,把采集的温度信号转化为数字量,再与 要控制的设定温度值比较,通过 PID 算法的控制作用 调制 CCU 模块 PWM 脉冲信号的占空比, 整形为 0~5V 的 电压信号, 以调节调空调压模块控制加热棒输出功率, 从而实现控温过程.整个温控过程都可编程并由 SPI 模块送到显示部分做到实时跟踪检测. 本设计还制作了一个小键盘, 通过查询方式与CPU 通信,操作键盘可以自动完成系统的 PID 控制,PID 参数自整定、PID 参数手动设置等控制,也可以通过 串口由计算机或 DSP 芯片等上位机完成.并利用了芯 片提供的 512bit EEPROM, 对自整定或手动设置的 PID 参数和设定控制温度有记忆存储功能,每次设置完成 或开机都按最新得到的一组参数直接运行.整个控制 和操作过程都体现了温控仪的智能化. 温度控制系统的软件设计是在P89LPC932 单片机 上,由单片机来控制.主控程序包括初始化,键盘 显示管理及各子程序调用.温度信号的采集、数字 滤波、铂电阻的非线性补偿、温度的显示、控制算 法的调用、 PID 参数自整定算法等功能的实现由各子 程序完成. 数字滤波可采用均知法、中间值法和一阶惯性法 等方法,目的是滤除干扰信号的影响.由于铂电阻的 电阻值与其所受的温度并不完全是线性的,因而设计 了非等距分段线性插值线性化程序来对铂电阻进行非 线性补偿,其误差低于 0.1%. 控制算法采用 PID 算法,它根据温度设定值与实 际值之差的比例值、积分值、微分值来确定控制量的 大小.其算式为: 式中: ,