等離子體催化劑活化裝置溫度控制系統(tǒng)的設計

樊 英,何 翔,左 雄

（中南民族大學 電子信息工程學院,湖北 武漢430074）

在等離子體催化劑活化裝置的工作過程中，考慮到溫度對催化劑性能的影響，需保持爐內溫度在0℃~300℃可控，以滿足不同催化劑的處理需求。此裝置通過外部電壓加熱使爐內達到一定工作溫度，當內部空心陰極放電時會產生局部高溫，使得爐內溫度發(fā)生變化。由于溫度對象的時間常數大、滯后現象嚴重，當溫度變化在最佳值(±10℃~±20℃)時，催化劑的活性和穩(wěn)定性開始有明顯變化。故保持爐內溫度穩(wěn)定，在工業(yè)控制中非常重要。傳統(tǒng)的人工調節(jié)溫控方法僅適用于對溫度影響要求不高的場合；采用單片機溫控方法,可用于一般溫度控制場合，但對要求實時性強、數據運算量大的控制系統(tǒng)難以實現實時控制。隨著微處理器的發(fā)展,數字信號處理器(DSP)以其強大的運算能力逐步成為控制領域的主流選擇。TMS320F2812型 DSP[1-2]是 TI公司一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP，其處理能力強,功能模塊多，可滿足對信號的快速、精確和實時處理需要。

針對等離子體催化劑活化裝置的溫度控制要求，本文以TMS320F2812 DSP為控制器,設計了基于PID調節(jié)的溫度控制系統(tǒng),并運用Matlab對數據結果進行了分析。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該溫度控制系統(tǒng)主要由PWM驅動電路、溫度采集電路、A/D轉換電路、DSP處理模塊、數碼管顯示電路等部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中DSP采用TI公司生產的TMS320F2812芯片,該芯片內置ADC，A/D采樣頻率設定為10 kHz，以達到快速采樣的目的。

圖1 溫控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，溫度采集選用熱電偶通過信號調理電路產生0～3.3 V電壓信號，通過A/D轉換電路將其轉換為數字信號，轉換后的數字信號由TMS320F2812按照PID算法進行運算,并根據運算結果在 PWM1引腳輸出相應的PWM脈寬信號，通過快速調節(jié)占空比的寬度來加熱爐內電阻絲，當溫度達到設定值時，將輸出占空比固定的PWM脈沖信號，最終達到溫度控制的目的。另外，檢測到的溫度信號通過數碼管顯示，上位機通過串口獲得實時數據，并運用Matlab對其進行分析。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 PWM驅動電路設計

由于TMS320F2812產生的PWM波形高電平只有3.3 V，其不足以使溫度采集電路(如圖2所示)中開關管Q11（IRF730）導通，故采用圖騰柱結構使其驅動電流放大，同時驅動電壓得到提高。PWM驅動電路如圖2所示。

在圖 2中，當 TMS320F2812 DSP的 PWM1引腳輸出為高電平時Q7導通，Q10基極電壓比射極電壓低，故Q10導通;Q8的 2腳為高電平，故 Q8、Q9導通，且 a點電壓達到了開關管Q11的門限電壓,使得Q11導通,給電阻絲加熱。當TMS320F2812 DSP的PWM1引腳輸出為低電平時 Q7關斷，促使 Q8、Q9、Q10、Q11都關斷，電路不工作，電阻絲停止加熱。

2.2 溫度采集電路設計

溫度采集電路[3]是溫度控制系統(tǒng)的前向通道,所以采集溫度數據的精確性決定了溫度系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)中的溫度采集使用熱電偶，熱電偶傳來的帶有溫度信號的毫伏級電壓經濾波、放大后送至A/D轉換器。通過采樣和A/D轉換，將所檢測到的爐溫對應的電壓信號轉換成數字量送入計算機，并與給定的電壓信號進行比較，計算其偏差。偏差值由TMS320F2812 DSP經PID算法進行處理，產生占空比可變的PWM，通過快速調節(jié)占空比來給爐內電阻絲加熱，維持爐內溫度恒定，以達到控制溫度的目的。其電路圖如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

溫度傳感器選用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，測溫范圍為0～1 800℃，精度小于±0.5%t。熱電偶輸出的熱電勢為十幾毫伏，信號先經第一級高精度運放放大，再經后級運放反向輸出。第一級運放輸入端的鉗位二極管起保護作用，避免了輸入線路故障的瞬態(tài)尖峰干擾損壞。放大后的信號通過A/D轉換器輸入計算機。熱電偶冷端補償采用溫度傳感器LM35,其輸出電壓與攝氏溫度一一對應，精度高，且其輸出電壓在A/D允許輸入電壓范圍內。這種測量方法的冷端溫度準確，克服了常規(guī)方法補償誤差大和不方便的缺點。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

在基于DSP的溫度控制系統(tǒng)程序設計中,系統(tǒng)軟件采用模塊化設計,包括：程序的初始化模塊、PID算法子程序、PWM波形產生子程序、ADC采樣及濾波子程序、數碼管顯示子程序以及串行通信子程序等。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)各模塊初始化后，判斷是否到達采樣時間，若采樣時間到，則對外部溫度信號進行采樣；由ADC采樣子程序對采樣信號進行采樣和濾波處理，轉換成數字信號；調顯示子程序，由數碼管對其進行實時顯示；上位機與串口通信，保存采樣數據，以便用Matlab觀察數據變化走向；同時調用PID算法子程序對經濾波后的采樣信號進行運算，調PWM波形產生子程序，DSP2812根據前一級運算結果產生占空比可變的PWM波，通過快速調節(jié)占空比的寬度來控制發(fā)熱電阻絲加熱的時間長短，以達到控制溫度的目的。

3.2 PID算法程序設計

在溫度控制系統(tǒng)中,溫度存在較大的延遲和慣性,為了實現最優(yōu)控制,通常采用 PID控制[4-5],它是溫度控制系統(tǒng)的核心。在模擬控制系統(tǒng)中，最常用的控制規(guī)律是數字PID控制。數字PID控制方法分為增量式PID和位置式PID。

本控制中采用增量式PID控制算法。增量式PID控制算法與位置式PID控制相比僅是算法上有所改變，但是它只輸出增量，減少了DSP誤操作時對控制系統(tǒng)的影響，而且不會產生積分失控。其控制算法表達式如下：

其中，kP為比例系數；kI為積分系數；kD為微分系數。

PID算法程序流程圖如圖5所示。

圖5 PID算法程序流程圖

圖5中r(k)為設定溫度值，y(k)為采集到的外部溫度。將設定值與采樣值之間的偏差e(k)作為DSP2812的輸入控制量,計算出輸出控制量△u(k)作為 PWM的脈寬變化量，通過快速調節(jié)占空比的寬度來決定發(fā)熱電阻加熱的時間長短，以達到控制溫度的目的。

4 實驗結果

通過PID算法的程序設計以及在TMS320F2812中運行調試后，將檢測到的溫度信號通過串口通信傳送給PC機，并由Matlab對數據結果進行分析。

本實驗中對無數據濾波處理和有數據濾波處理在相同PID參數下分別進行了測試，結果如圖6所示。可以觀察到，數據濾波后的尖端脈沖更少，曲線更加平滑，使得測量精度得到提高。

圖6 數據濾波對系統(tǒng)響應的影響

PID參數的工程整定方法有很多,通常有經驗法、衰減曲線法、臨界比例法和響應曲線法等。本文采用經驗法中的現場“試湊”法。根據 PID控制器的 P、I、D參數對系統(tǒng)性能(包括及時響應、超調、過沖、振蕩等)的影響為理論依據,調試時按照先比例(P)、再積分(I)、最后微分(D)的順序將控制器參數逐個進行反復的“試湊”,得到多組實驗數據。在相同溫度下，不同的參數對系統(tǒng)的響應不同。通過大量實驗和分析比較，最后確定了溫度設定值在126℃時系統(tǒng)的最佳響應，如圖7所示。其PID參數為 P=50，I=30，D=20，其響應速度快，60 s達到穩(wěn)定值，超調量為 2%，誤差范圍為±1℃，無過大振蕩，能長時間保持平穩(wěn)。

圖7 系統(tǒng)最佳響應曲線

本文提出并設計了以TMS320F2812為控制核心、PID控制算法為基礎的等離子體催化劑活化裝置的溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，具有反應速度快、超調小、無靜差、溫度控制平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點。對于溫度控制精度要求較高的應用場合，采用DSP和PID算法能快速、有效地實現溫度的實時控制，具有較高的靈活性和可靠性。

[1]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學 DSP-基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.

[2]汪安民.DSP應用開發(fā)實用子程序[M].北京：人民郵電出版社,2005.

[3]Gao Yanli,Liu Di,Zhang Haiying.Beer fermentation temperature control system based on DSP[C].Electronic Measurement&Instruments,2011 10th Interational Conference on(Volume：1),Chengdu,2011（10）：274-277.

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