PDF《基于 PID 算法控制的智能 温控系统的实现》

1 分别为第 次及第

1 次采样偏差值;

为第 次的控制量输出值;

、、 分别为比例系数、积分常数和微分常数, 可以采用参数自整定而得到. 温控系统软件还包括对温度控制系统的保护和快 速加温的切换等.在测得温度未接近设定温度时,系 统快速加温,接近时,调用 PID 算法控制,以达到迅 速稳定温度场的目的.温度一旦高于最高设定值,程 序自动切断电源停机.由于仪器仪表的工作环境存在 强电磁场干扰,为提高温控系统的可靠性,硬件上用 光电隔离器;

软件上除了设计数字滤波程序外,还设 计了软件监视器等.软件流程如图

2 所示. 采用不同原理实现的 A/D 转换器(ADC) ,在特性 效果和成本方面都有很大差别.有些微控制器集成的 (ADC) ,提供

10 位或更高的分辨率,但是由于需要增 加芯片面积以及全面的测试以保证其精度,因此增加 了器件的成本. LPC932 具有包括 ADC 在内的各种不同 的外围功能,本设计讲述了在没有集成 ADC 的情况

2 系统软件设计

3 LPC932 微控制器实现低成本 A/D 转换 = + =0 +

1 初始化 读温度值 数字滤波及温度补偿 计算温度 保护 快速切换 快速加热 停机 调用 PID 算法 Y N Y N SPI 模块 显示 部分 控制 键盘 计算机 P0 口 串口 模拟 比较模块 PWM 模块 并行口 温度 传感器 调功调 压模块 报警指 示部分 加热系统 P89LPC932 图1系统结构图 图2温度控制系统软件流程图

59 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 下,使用 SIGMA-DELTA 原理来实现极低成本的 ADC 功能. 使用 LPC932 的比较器和推挽输出特性,可实现 一个最少外部元件的 Sigma-Delta ADC.比较模块用 于平衡开关的电流脉冲, 脉冲对电容进行充放电, 使 比较电压 Vref 等于输入电压 Vin, LPC932 在整个测量 周期中记录充电脉冲的个数,正脉冲个数与 Vin 成正 比,该方法相对较慢,但非常精确.由于输入电压在 各测量周期被平均,因此要达到较高的精度,输入电 压必须在整个测量周期内保持恒定. 图3所示为使用 LPC932 模拟比较功能模块实现 的ADC,外部元件仅使用了一个电容 C 和一个电阻 R, 它们用来决定充电电流,必须保证稳定的电源电压以 使电流不受电源变化的影响.在预充电阶段之后开始 测量,软件根据比较器的状态控制开关 K 通断,使P0.0 口在高电平和低电平之间切换, 从而使电容电压 Vref 一直和输入电压 Vin 保持相等,LPC932 在整个测量 周期记录充电脉冲的个数,从而实现了模数转化. 3.1 A/D 转换的软件实现原理 由A/D 转换原理图可知, 由于电压在测量开始和 结束时都相等, 电容 C 在开始时 O0 和结束时 OT 的电荷 也相同,当输出为高电平时充电电流为:I+ =(VCC-V i) /R,当输出为低电平时放电负电流为: I- =Vi/R.由 于小电压变化是电容充电的指数函数, 因此 OT 为: = 0+ + 式中: m 是整个测量的充电次数;

n 为高电平的次数;

TCycle 为单次测量周期;

T 为整个测量周期. 则有:T=mTCycle. 由于 O0 等于 OT,因此有: (m-n) (Vi/R) =n (VCC-Vi) /R 由此可得:Vi= (n/m) VCC 输入电压和高电平脉冲个数以及电源电压成正比. 对R和C的值没有严格的要求,可以按照每个周期电 压变化(UA) 约为 1LSB 的原则来选取 =RC 的值.程 序只要在测量周期内记录 n 值即可. PID 参数自整定算法很多,诸如 Z-N 法、衰减曲 线法、 专家系统法等. 本设计是以 ASTROM 提出的极限 环法为基础,结合加热棒控制系统没有负的输入,温 度一旦超调,只能靠自然冷却达到设定工作温度点的 特点,提出了对程序温控仪只增加少量程序就能增加 PID 参数自整定功能的做法. 4.1 算法原理 算法的原理图如图