基于閉環(huán)控制的遠(yuǎn)程水溫控制系統(tǒng)

李佳琦

摘要：溫度控制技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域起著十分重要的作用。其中，水溫控制系統(tǒng)在電力、化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該文設(shè)計(jì)一個(gè)基于PID閉環(huán)控制的遠(yuǎn)程水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過電橋電路將溫度傳感器接入電路，電橋的輸出信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，放大后的模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理后，發(fā)出反饋信號(hào)。反饋信號(hào)通過數(shù)字采集卡的DO口輸出，控制光電隔離電路，進(jìn)而控制繼電器的通斷，控制電爐的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水溫控制；PID閉環(huán)；溫度傳感器；放大電路；光電隔離 ；繼電器

中圖分類號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）22-0210-02

Abstract： The temperature control technology in the field of modern industry plays a very important role. Among them， the water temperature control system has been widely applied in the field of electric power， chemical industry. This paper designed a remote water temperature control system based on PID closed-loop control. Through a bridge circuit ，the system will be connected to the circuit temperature sensor. The output signal of the bridge circuit is enlarged through the operational amplifier . The analog signal after enlarging is converted to a digital signal through digital acquisition card into the computer. After processing sampled signal ， the computer produces feedback signal. Feedback signal outputs through the DO of digital acquisition card. And the signal controls photoelectric isolating circuit， which control relay on-off， controlling the working state of the furnace. The experimental results show that the system has advantages of great stability and high reliability.

Key words： The water temperature control； PID closed-loop； The temperature sensor； Amplifying circuit； Photoelectric isolation； relay

1 引言

溫度控制系統(tǒng)是在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在的系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)具有很大的時(shí)滯性[1]。由于時(shí)滯對(duì)控制量輸出的純延遲作用，控制系統(tǒng)在超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差及穩(wěn)定性等控制性能方面顯著地變壞。控制專家們對(duì)其進(jìn)行了多年的研究，但至今尚未得出能在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的方法，因而它被公認(rèn)為是一種較難控制的對(duì)象。

本文設(shè)計(jì)出一種基于PID閉環(huán)控制[2]的遠(yuǎn)程水溫控制系統(tǒng)，通過PID算法中比例、積分、微分參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效平穩(wěn)控制。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由電源、溫度傳感器、電橋電路、光電隔離電路、數(shù)據(jù)采集卡、服務(wù)器和客戶端軟件與電爐的繼電器控制電爐組成。其中溫度傳感器采用PT100溫度傳感器[3] ，服務(wù)器和客戶端軟件采用C/S[4]模式搭建。

2.1 系統(tǒng)硬件電路

包括電橋電路、信號(hào)放大電路、光電隔離電路和對(duì)電爐的繼電器控制電路。

2.1.1 傳感器接入電橋電路

PT100溫度傳感器連接在如圖1所示的電橋中。該電橋中，一共有四個(gè)電阻：熱電阻Rpt100、兩個(gè)10K的電阻R1、R2和一個(gè)可調(diào)電阻Rx。其中，熱電阻Rpt100采用工業(yè)“三線制”接法，消除導(dǎo)線電阻帶來的誤差。

2.1.2 信號(hào)放大電路

由于電橋電路輸出的信號(hào)十分微弱，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大是必要的。本系統(tǒng)采用AD620芯片實(shí)現(xiàn)放大功能。如圖2所示。

PortA和PortB分別接電橋的輸出信號(hào)，在1引腳和8引腳之間接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器，用于調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)。PortC是運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)；PortD是與數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入（AI）的GND相連接的。

AD620的放大增益為：Af=1+49.4k/RAMP。

2.1.3 光電隔離電路

光電隔離電路[5]的作用是使計(jì)算機(jī)的輸出與繼電器控制電路的強(qiáng)電部分進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。該電路采用ULN2803和PC817光耦元件組成驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集卡的輸出端DO與ULN2803的輸入端相連接。當(dāng)DO口輸出一個(gè)高電平時(shí)，經(jīng)過ULN2803轉(zhuǎn)換成一個(gè)低電平，驅(qū)動(dòng)PC817左端的LED發(fā)光，使PC817右邊的三極管導(dǎo)通，進(jìn)而，PC817右邊的電路也導(dǎo)通；反之，不導(dǎo)通。

2.1.4 繼電器控制電路

通過光電隔離電路的輸入，控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制電爐的工作。

2.2 系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端軟件

本系統(tǒng)通過C/S模式，服務(wù)器端使用MFC對(duì)服務(wù)器端接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，包括信號(hào)的采集、標(biāo)定、濾波、存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程傳輸?？蛻舳藢?shí)現(xiàn)了客戶端和瀏覽器端對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程查看的功能，并且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。

2.3 PID控制算法

對(duì)比例、積分、微分參數(shù)的設(shè)定，完成對(duì)系統(tǒng)的有效平穩(wěn)控制。

通過多次且具體的實(shí)驗(yàn)，對(duì)PID的參數(shù)Kp 、Ti 、Td設(shè)定如下：

比例Kp為當(dāng)前值的60%～70%；

積分Ti為當(dāng)前值的150%～180%；

微分Td一般不做考慮，為0即可。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程水溫控制系統(tǒng)是基于PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)的。PID算法的參數(shù)設(shè)定是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，它根據(jù)被控過程中特性的變化動(dòng)態(tài)改變PID的比例、積分和微分的系數(shù)。在本系統(tǒng)中，PID的設(shè)定依賴實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐過程中的經(jīng)驗(yàn)，直接對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)控制過程中的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，就可以滿足需求了。此系統(tǒng)的PID算法具有方法簡單、易于掌握、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際的工程實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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