 Smart Grid 智能电网, 2013, 3, 37-42 http://dx.doi.org/10.12677/sg.2013.32007 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html) The High Precision Temperature Control System Based on the Incremental PID Algorithm Lijun Wei Department of Electrical Engineering, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou Email: 398741983@qq.com Received: Jan. 29th, 2013; revised: Feb. 20th, 2013; accepted: Feb. 28th, 2013 Copyright © 2013 Lijun Wei. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Temperature sensors are widely used in industrial and agricultural production, scientific research and other areas of life, and play an important role in the temperature control system. The high precision temperature control sys- tem has a very important place in measurement and control instrument development and deep processing industry. So, it has very strong application value and practical significance to design and develop a high precision temperature control system. In this paper, based on the hardware design of temperature control system, through incremental PID algorithm, a design of a temperature control in the range of ±0.1˚C high precision temperature control system is completed, when compared with the existing similar temperature control systems, precision increases nearly 10 times. Keywords: Temperature Sensor; High Precision Temperature Control System; Incremental PID Algorithm 基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 魏丽君 湖南铁道职业技术学院电气工程系，株洲 Email: 398741983@qq.com 收稿日期：2013 年1月29 日；修回日期：2013年2月20 日；录用日期：2013 年2月28日 摘 要：温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，在温控系统中发挥着重要的作用。而高 精度的温控系统在测控仪器开发以及工业深加工过程中占有相当重要的地位，因此设计开发高精度的温控系统 具有很强的应用价值和现实意义。本文在温控系统硬件设计的基础上，通过增量式 PID 算法，设计完成了一套 控温范围在±0.1℃的高精度温控系统，相比现有同类温控系统，精度提高近 10倍。 关键词：温度传感器；高精度温控系统；增量式 PID算法 1. 引言 高精度的温控系统在测控仪器开发以及工业深 加工过程中占有相当重要的地位，在工业深加工的过 程中，对过程的控制以及实时温度的控制提出了很高 的要求，在产品一致性上，要求温度基本维持恒定。 设计和开发高精度的温控系统具有很强的应用价值。 国内外的基于 PID 的温控系统一般应用于化工 业、医疗单位、大专院校、科研部门及工矿企业等机 构的实验室里的水浴恒温控制，因为这些应用经常需 要对各种试剂进行蒸馏、干燥、浓缩及恒温加热处理 [1]，在测控仪器和工业深加工领域，PID 的温控系统 应用还不够深入[2]，现有同类温控系统的控温范围一 般都在±1℃的水平[3]。本文在选定温度传感器的基础 上，通过增量式 PID 算法[4-6]，设计完成了一套应用在 Copyright © 2013 Hanspub 37  基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 测控仪器和工业深加工领域的高精度温控系统，控温 范围可达±0.1℃[7]。 2. 系统硬件框图及原理 硬件系统以P89V669单片机为核心，由温度采集 模块、A/D 转换模块、加热控制模块、温度补偿模块 以及串口等构成。总体硬件框图如图1。 整个系统的工作原理是：由温度采集模块采集控 制区域的实时温度值，通过 A/D 转化模块转化后传送 给单片机处理，单片机通过对当前温度的判断，不断 调整加热模块的PID 输出控制参数，使得温度值往设 定值越来越靠近并保持恒定，变化范围不超过 0.1℃。 3. 温度采集与 A/D 转换模块的设计 集成温度传感器采用 AD590，它是美国模拟器件 公司生产的集成两端感温电流源，是电流型温度传感 器[8]，通过对电流的测量可得到所需要的温度值流过 器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开 尔文)度数，即： 1μAK T IT 式中：IT：流过器件(AD590)的电流，单位 μA。T：热 力学温度，单位K。 其工作原理是：在被测温度一定时，AD590 相当 于一个恒流源，把它和 5~30 V的直流电源相连，并 在输出端串接一个 1 kΩ的恒值电阻，那么，此电阻 上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将 会有 1 mV/K的电压信号。 A/D 转换芯片采用 ADS1110，它是精密的连续自 校准的片内带基准电压的 16 位A/D 转换器，带差分 输入。片内基准为 2.048% + 0.05%，片内可编程增益 放大器 PGA，片内振荡器，可编程的转换速率为15 次/秒~240 次/秒，具有I2C总线接口。 ADS1110 的A/D 转换器内核是由差分开关电容 △-∑调节器和数字滤波器组成。调节器测量正模拟输 入和负模拟输入的压差，并将其与基准电压相比较。 数字滤波器接收高速数据流并输出代码，该代码是一 个与输入电压成比例的数字，即 A/D转换值。 ADS1110 是I2C总线接口，在对其进行读写操作 时，需根据其读写操作的时序进行，在之前需要正确 配置其输出寄存器和配置寄存器。 其读操作时序如图 2。 其写操作时序如图 3。 温度采集模块与A/D 转换模块的电路原理图如 图4。该模块整体作用是：对控制的温度进行采集， 并转化为数字量，传送给单片机处理。在温度采集的 过程中，进行实时温度补偿。 Figure 1. Hardware block diagram of the overall device 图1. 系统总体硬件框图 Figure 2. ADS1110 read operation sequence 图2. ADS 1 1 10读操作时序 Copyright © 2013 Hanspub 38  基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 Figure 3. ADS1110 write operation sequence 图3. ADS 1 1 10写操作时序 Figure 4. Temperature acquisition and A/D conversion module 图4. 温度采集与 A/D 转换模块 4. 加热控制模块电路设计 加热控制模块电路设计如图 5。由单片机控制输 出PID 信号，通过三极管的开关作用，控制固态继电 器的通断，从而达到控制加热片实现以PID 控制的方 式通断。 5. 增量式 PID 算法设计实现 增量式 PID 控制公式： 1 21 2 pi d ukk ekekkek kek ekek (1) uk是控制量增量，“增量式 PID”就是直接以这 个增量进行控制。根据响应的情况进行参数的整定。 增量式 PID 控制算法可以通过(1)式推导出。由(1)可 以得到控制器的第k – 1 个采样时刻的输出值为： 1 12 11 0 kkk kpk jd j i ee T uKe eT TT 将(1)与(2)相减并整理，就可以得到增量式PID 控制 算法公式为： 1 12 1 12 12 2 2 11 kkk kkk pk kkd i dd pkpkp i kk k uuu eee T Kee eT TT TT Td k T K eKeK e TTT T Ae BeCe (3) 其中 2 1,1 dd pp i d p TT T AK BK TT T T CK T , (4) (2) 由(4)可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的 采样周期T，一旦确定 A、B、C，只要使用前后三次 测量的偏差值，就可以由(4)求出控制量。增量式PID 控制算法与位置式PID 算法(1)相比，计算量小得多， 此在实际中得到广泛的应用。 因 Figure 5. Heating control module circuit schematic diagram 图5. 加热控制模块电路原理图 Copyright © 2013 Hanspub 39  基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 具体在本设计中温度采集频率为 10 Hz(100 ms)， 每秒钟采样的温度值通过滑动平均值滤波。系统控温 采用模糊算法和增量式PID 算法相结合的方式，快速 升温阶段采用模糊算法，恒温时采用增量式 PID 算法。 控温周期 20 秒。为防止加温过冲，当温度接近恒温 点时，采用阶梯式恒温控制方法，如图 6先将恒温点 设置在小于恒温温度的值，当温度恒定后，再将恒温 点调整为恒温温度。 6. PID程序设计 PID 算法控制子程序流程图如图 7。 /************************************ PID算法控制子程序 ************************************/ static int xdata StablePwm; void PID_con(void) { int xdata P_out=0,I_out=0,D_out=0; uint count=0; PIDshu++; if(PIDshu>500) { PIDshu=0; if(AD_dangqian.ad16<0x7035) pwm.ad16 =475; else if(0x7047<AD_dangqian.ad16<0x706B) { if(AD_dangqian.ad16<0x705a) StablePwm++; if(AD_dangqian.ad16>0x705a) StablePwm--; if(StablePwm>175) StablePwm =175; if(StablePwm<0) StablePwm =0; pwm.ad16 =250 + StablePwm; } else if(AD_dangqian.ad16>=0x706B) pwm.ad16 = 0; else pwm.ad16 =275; if(pwm.ad16<0) pwm.ad16=0; if(pwm.ad16>475) pwm.ad16=475; UART_setchar(0XAA); } if (pwm.ad16>0) { pwm.ad16--; C_out=0; UART_setchar(0X66); } else { C_out=1; UART_setchar(0X67); } } 7. 结论 通过对硬件电路和软件部分的设计，并在此基础 上，通过上位机软件监控，得到了温度控制效果图， 如图 8、图 9。 预定控制温度在48℃ ± 0.1℃，由图可以看出， 设计系统很好的完成了设计任务，控制温度变化在 ±0.1℃之间，针对现有类似温控系统，精度提高近 10 倍。该研究成果将直接应用到“十二·五”国家支持 Temp Tim e OT T1 T2 t1 t2 调整前升温曲线 调整后升温曲线 OT 过冲温度 T1 恒温温度 T2 调整温度 t2-t1 过冲时间 Figure 6. Incremental PID step control method 图6. 增量式 PID 阶梯控制方法 Copyright © 2013 Hanspub 40  基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 Figure 7. PID algorithm flow chart of software 图7. PID算法软件流程图 Figure 8. The temperature effect diagram 图8. 控温效果图 Copyright © 2013 Hanspub 41  基于增量式 PID 算法的高精度温控系统的设计 Figure 9. The temperature effect diagram 图9. 控温效果图 项目中。 参考文献 (References) [1] 陈静. 基于单片机的温度湿度控制系统设计[J]. 科技信息, 2011, 28: 96. [2] 文科星. 智能PID 算法的研究及其在温度控制中的应用[D]. 东华大学, 2009. [3] 罗文军. 基于参数自整定的模糊 PID 控制在水箱控制系统中 的应用[D]. 中南大学, 2011. [4] 徐天龙, 李长城. 传感器和检测仪表的现状及发展趋势分析 [J]. 民营科技, 2011, 12: 216. [5] 贺启峰. 基于模糊 PID的恒温水浴控制器的研究[D]. 吉林大 学, 2011. [6] 王威, 杨平. 智能 PID控制方法的研究现状与应用展望[J]. 自动化仪表, 2008, 29(10): 12-16. [7] 崔体人. 元器件选用大全[M]. 杭州: 浙江科学技术出版社, 1998. [8] (日)电气学会. 徐国鼐等, 译. 电工电子技术手册[M]. 北京: 科学出版社, 2004. Copyright © 2013 Hanspub 42 |