基于PID调节的恒温控制系统

王玲

青岛海越机电科技有限公司 山东 青岛 266299

摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，ＭＥＭＳ加速度计在温度环境变化剧烈的情况下，测量精度受到很大影响，产生漂移误差，难以满足高精度导航的需求，因此迫切需要设计一种恒温电路，使加速度计长期工作在稳定的工作环境中，研究了在恒温情况下加速度计的工作状态；针对恒温控制这一要求，设计了基于ＤＳＰ２８１２的一种恒温控制电路，将传感器由加热电路和保温层包围，减少散热，提出了由ＤＳＰ和高精度数字温度传感器ＴＭＰ１１６相结合的软件控制系统，对ＰＩＤ控制进行深入研究，提出一种新的控制方式；最终输出ＰＷＭ占空比、控制温度和检测温度数据，经实验测试，－４０℃工作环境下，ＰＩＤ控制后系统超调量为１％，在两分钟内温度从５７℃升温至７０℃并稳定，稳定后满足温度精确控制在７０±０．０６℃，能够有效维持系统恒温。

关键词：加速度计；恒温装置；ＰＩＤ控制；ＤＳＰ

引言

电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性的特点,例如其升温单向性是由于电加热的升温保温是依靠电阻丝加热,降温则是依靠环境自然冷却,当温度一旦超调就难以用制冷控制手段使其降温,因而难以用数学方法建立精确的模型并确定参数,应用传统的模拟电路控制方法难以达到理想的控制效果。在恒温自动控制系统的设计中,运用单片机进行数字PID运算,能充分发挥软件系统的灵活性,在必要时对PID算法进行修正使其更加完善。专门设计的运用数字电位器和固态继电器的功率调节电路极大地简化了执行电路,与单片机的接口也变得十分方便,同时,只须更换不同输出功率的固态继电器就能满足不同功率加热系统的需要。整个系统电路结构简单,调试方便,实际应用中达到了理想的控制精度。

1恒温控制软件设计原理

传统的恒温控制软件设计原理如下所述:利用温度控制过程中的偏差，自动接通或者断开供给的热量，或者持续改变供给热量的大小，从而使温度保持在设定的范围内。恒温控制过程是一个反馈控制调节的过程，将实际温度与需要的温度进行对比获得偏差，对偏差进行处理得到温度控制信号，利用温度控制信号调节发热器件的功率，从而实现恒温控制。温度偏差值的比例、积分、微分产生的控制信号是实现恒温控制的关键。1)设置控制器的积分系数Ki=0，微分系数Kd=0，恒温控制系统进行闭环运行，将比例系数Kp按照从小到大的方式逐渐调节大小，使扰动信号发生阶跃变化，检测控制结果，直至获得合理的控制过程。2)将比例系数Kp的值设置为当前值的0.8倍，逐渐增大比例系数Ki，同样使扰动信号发生阶跃变化，直至获得合理的控制过程。3)保持积分系数Ki的值不变，逐渐改变比例系数Kp，查看控制过程是否得到改善，直至获得满意的控制效果。否则，调整原比例系数Kp和积分系数Ki的值，反复进行实验，直到获得最优比例系数Kp和积分系数Ki的值为止。4)引入合理的实际微分系数Kd和积分时间TD，此时适当将比例系数Kp和积分系数Ki的值提高，同上述步骤，对微分时间进行反复调整，直至获得满意的恒温调节过程。

2基于PID调节的恒温控制系统

2.1恒温恒湿控制系统硬件设计

恒温恒湿模拟机组控制系统由室外侧负荷设备控制系统、恒温恒湿模拟设备系统、数据采集器（含室内侧负荷设备控制系统）组成。室外侧负荷设备控制器、恒温恒湿模拟设备系统控制器使用深蓝电子公司的产品，抗干扰能力强，控制器所有端口通过了更严格的EMC测试，同时搭配友好的人机界面。通过多层次高低频滤波，有效过滤复杂电磁环境中的电流或者电磁干扰。主机和控制面板采用差分校验的通讯方式，被动接收和主动查询的方式相互结合，使主机和控制面板保持高度一致，使通讯稳定可靠，所有输入和输出点均采用稳压5V控制，有效避免电压波动引起的误动作。机房空调控制器为机组的运行提供了保障，能够实现最大限度地节能及精确的温湿度控制。柜机控制器采用开关电源供电，电压适应范围广，可以在开闭压缩机的瞬间都保证正常的供电。（1）室外侧负荷设备控制系统。室外侧负荷设备是一套由冷热型的风管机构成，其主要功能是模拟室外侧区域的空气温度。风管机组采用专用控制器对压缩机、冷凝风机、蒸发风机、四通换向阀进行控制，并且具备RS485通讯接口，可与数据采集器进行通讯。利用风管机控制器自带温度传感器，可设定温度控制机组的启停，以达到控制室外侧空气的状态参数。可检测压缩机、冷凝风机、蒸发风机、四通换向阀控制部件的启停状态。同时当风管机组发生故障时，可显示风管机组故障信息、故障的排除方法等。（2）恒温恒湿模拟设备系统。恒温恒湿模拟设备是一套恒温恒湿机组构成，其主要的功能是模拟恒温恒湿的运行。恒温恒湿采用专用控制器对压缩机、冷凝风机（变频控制）、蒸发风机（变频控制）、电磁阀、电加热、电极加湿器进行控制，控制器具备RS485通讯接口，可与数据采集器进行通讯。通过控制压缩机、电加热以及电极加湿器的启停来调节室内侧区域的温度与湿度的变化。同时可检测模拟设备内部元器件的启停状态，并且当模拟设备发生故障时，可显示模拟设备故障信息、故障的排除方法等。（3）数据采集器控制系统。风管机组控制器和恒温恒湿模拟机组控制器的通过Modbus-RTU协议与PLC进行通信，PLC和控制器的人机界面都可以单独地对模拟机组进行操作。

2.2ＰＩＤ算法

目前温度控制方法已经大量得到了应用，ＰＩＤ控制方法工作原理简单，实现容易，已经得到广泛应用，对微分、积分、比例参数的调节，能加快系统的响应速度，消除系统的稳态误差，改善系统动态性能。温度控制选用ＰＩＤ控制算法，是一个闭环负反馈控制系统，通过ＤＳＰ解算温度传感器的数字信号温度，调控ＰＷＭ占空比，控制ＭＯＳ管的截至与导通，从而控制电阻工作，实现电路的加热。ＰＩＤ算法涉及到比例、积分、微分３个部分，比例控制是对当前偏差的反应，积分控制是通过调节ＰＩＤ控制器参数，使系统快速达到稳定响应。偏差值ｅ（ｔ）是给定值与测量值之间的差，增加比例增益Ｋｐ可以调整比例度，直接影响当前误差信号，比例系数小，调节力度不够，系统输出量变化缓慢，比例系数过大时，调节后系统偏差值变化幅度过大，调节力度太强，产生输出值较大的变化，会导致系统不稳定。积分环节是对以往的误差信号累计补偿，积分控制能够消除系统的静态误差，Ｋｉ增大会增加系统的超调量，使系统振荡，减小Ｋｉ系统震荡小但稳定时间会变长。微分值Ｋｄ是与系统误差信号的变化率有关，微分环节可以预测误差变化的趋势，增大Ｋｄ可以加快系统响应速度。

结语

针对传统的PID恒温控制软件在非线性、滞后性和时变性的系统进行恒温控制的缺陷，提出一种基于改进PID的恒温控制软件设计方法。将传统的PID控制方法与免疫控制原理相结合，在不同的免疫响应阶段，通过T细胞的促进和抑制作用，使得响应时间和超调量之间的矛盾得到极大的改善。通过冷库恒温控制系统的仿真实验表明，改进PID的恒温控制软件在工况发生较大改变时仍然具有优良的控制效果。

参考文献

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