一種應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)的PID控制電路設(shè)計(jì)

蔡璇 閆加勝 梅潔穎

【摘要】在熱分布式質(zhì)量流量測(cè)試系統(tǒng)中，利用恒溫差法測(cè)量流量，因此對(duì)溫度控制系統(tǒng)的精確直接關(guān)系到流量測(cè)試的精確度。本文主要介紹了一種手動(dòng)調(diào)試的PID 控制方法，通過調(diào)節(jié)PID電路中參數(shù)來使得溫差信號(hào)保持在一個(gè)穩(wěn)定的值，文章中首先對(duì)PID控制電路的基本原理做了簡(jiǎn)單地介紹，設(shè)計(jì)出電路并且繪制PCB電路板，對(duì)電路板進(jìn)行調(diào)試并且將其應(yīng)用于實(shí)際熱式質(zhì)量流量測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)證明該電路可以達(dá)到控制效果。

【關(guān)鍵詞】PID控制;溫度控制;流量測(cè)試;恒溫差

Abstract：In the heat distributed mass flow measurement system ，constant temperature difference method is used to measure flow，so is precise in temperature control system is directly related to the accuracy of the flow test.This paper mainly introduces a kind of manual debugging PID control method，by adjusting the PID parameters to make the difference in temperature signal circuit is kept in a stable value，the article first done to the basic principle of PID control circuit is introduced simply，design circuit and draw PCB circuit boards，circuit board for debugging and applied to the actual thermal type mass flow testing system，the experiment proved that the circuit can achieve the control effect.

Keywords：PID control;the temperature control;flow test;constant difference in temperature

引言

在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，高精度溫度控制是最重要的研究課題之一。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種行業(yè)對(duì)溫度精度的要求越來越高，對(duì)溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性要求也越來越嚴(yán)格。本文主要研究一種應(yīng)用于溫度控制電路的手動(dòng)調(diào)節(jié)PID控制方法，PID控制是一種負(fù)反饋控制，是一種比較精確的常規(guī)控制，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單、使用方便;適應(yīng)性強(qiáng)，可廣泛的應(yīng)用于各種場(chǎng)合和工業(yè)部門;魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。因此，PID控制已成為日前溫度控制中最基本的控制力式[1]。

在熱分布式質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)中，利用恒溫差測(cè)量時(shí)，常常要求溫差信號(hào)能夠維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的值，但是測(cè)量得到的溫差信號(hào)往往會(huì)有超前或者滯后的特點(diǎn)，通過采用PID控制方法，調(diào)節(jié)電路中P、I、D各部分的參數(shù)比例可以解決溫差輸出信號(hào)的超前或滯后問題[2]，從而得到比較穩(wěn)定的溫差信號(hào)。

1.PID控制原理

PID控制電路主要由比例電路、積分電路以及微分電路構(gòu)成：

（1）比例環(huán)節(jié)：比例電路可以成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差，比例控制反映快，但對(duì)于某些系統(tǒng)，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差，增大比例系數(shù)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但穩(wěn)定性可能變差。

（2）積分環(huán)節(jié)：用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)，積分常數(shù)越大，積分速度越慢，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)，積分環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)的頻帶變窄。

（3）微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化速率，具有預(yù)見性，能預(yù)見信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速率，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

在本系統(tǒng)中主要采用PI電路，PI電路中比例電路主要影響響應(yīng)速率，比例參數(shù)越大，響應(yīng)速度越快，但是當(dāng)比例參數(shù)太大時(shí)，會(huì)引起比較大的超調(diào)和振蕩，使得整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分參數(shù)主要影響靜態(tài)精度，消除靜差，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分參數(shù)越大，積分速度會(huì)越慢，在偏差較大時(shí)，PI控制主要以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為主。

2.PID控制電路原理圖

本文所設(shè)計(jì)的PI控制電路中包括第一級(jí)放大電路、比較電路以及PI電路，第一級(jí)放大電路以及PI控制電路中主要采用運(yùn)放OP07，比較電路則采用運(yùn)放AD620。在電路中比例電路中反饋電阻以及積分電阻采用滑動(dòng)變阻器，便于調(diào)節(jié)比例參數(shù)以及積分參數(shù)。電路原理圖如圖1所示：

如圖1所示，在測(cè)試系統(tǒng)中由前級(jí)電路輸出的信號(hào)首先通過電路中第一級(jí)放大電路，然后將放大輸出信號(hào)與標(biāo)定電壓進(jìn)行比較，通過AD620輸出電壓差信號(hào)記為U1，AD620的放大倍數(shù)與它的1管腳以及8管腳之間的增益電阻有關(guān)，計(jì)算公式為：

其中G為AD620放大增益。

將U1通過PI電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中Kp=-RH2/R7，積分時(shí)間常數(shù)τ=RH1*CJ1，CJ1微積分電容，積分參數(shù)Ki=-1/τ，其中RH1與RH2為可調(diào)電阻。

由于PI控制電路后續(xù)電路為恒流源加熱電路，恒流源加熱電路直接驅(qū)動(dòng)置于熱式質(zhì)量流量外壁上的加熱絲，因此通過PI電路將AD620輸出的電壓差控制在穩(wěn)定值，進(jìn)而控制加熱電路的輸出使其保持在穩(wěn)定值。

圖2 流速為0.006L/S時(shí)系統(tǒng)輸出波形變化

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將PI控制電路接入流量測(cè)量系統(tǒng)的整體電路中，在實(shí)驗(yàn)中將流量計(jì)中流速調(diào)節(jié)為0.006L/S，調(diào)節(jié)比例參數(shù)以及積分參數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)需要主意的是應(yīng)該先調(diào)節(jié)比例參數(shù)，比例參數(shù)由小增大，積分參數(shù)調(diào)節(jié)至最大。將比例電路的參數(shù)調(diào)節(jié)增大至Kp=1.6，此時(shí)加入積分電路，積分電路中積分電容值為CJ1=0.1uF，積分電阻可調(diào)節(jié)，將積分電阻值調(diào)節(jié)為RH1=3.6KΩ，此時(shí)積分時(shí)間常數(shù)為τ=0.36ms，信號(hào)波形變化趨于穩(wěn)定，通過示波器觀察加熱電路輸出波形曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，加熱絲上的溫度經(jīng)過一段時(shí)間的響應(yīng)變化之后逐漸平穩(wěn)，響應(yīng)時(shí)間為70S，平衡時(shí)電壓輸出為3.510V。

當(dāng)流量計(jì)中流速增大為0.014L/S時(shí)，用示波器觀察加熱電路輸出如圖3所示：

圖3 流速為0.014L/S時(shí)系統(tǒng)輸出波形變化曲線

由圖3可以看出，曲線變化響應(yīng)時(shí)間為72S，平衡時(shí)輸出電壓值電壓值為4.320V。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由圖2以及圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出PI控制電路可以達(dá)到控制要求，使得加熱絲上的溫度最終維持在一種平衡狀態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)具有重復(fù)性，因此該設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]周黎英.模糊PID控制算法在恒速升溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（2）：405-409.

[2]何愛香.一種新型高精度溫度控制方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009，26（9）：120-123.

作者簡(jiǎn)介：蔡璇（1989—），女，碩士研究生，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。