余劍敏

摘要:介紹以單片機(jī)為核心的PID控制溫度控制系統(tǒng),并給出了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞:溫控系統(tǒng)單片機(jī)PID控制

中圖分類號(hào):TP273+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

0 引言

控制儀表性能指標(biāo)對(duì)溫度控制有很大的影響,因此,常采用高性能調(diào)節(jié)儀表組成溫控系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象(溫度)進(jìn)行嚴(yán)格控制。本文介紹以單片機(jī)AT89C51為核心器件構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng),它具有測量、控制精度高、成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可制成單機(jī),廣泛應(yīng)用于冶金、化工、食品加工等行業(yè)對(duì)溫度進(jìn)行精確控制。

1 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電偶測量出電爐的實(shí)際溫度(mv信號(hào)),經(jīng)放大、線性化、A/D轉(zhuǎn)換處理后送入單片機(jī)接口。由鍵盤敲入設(shè)定溫度值,此值與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換過的爐溫信號(hào)存在一差值(假如兩者溫度不一致),由單片機(jī)PID調(diào)節(jié)電路進(jìn)行比例、微分及變速積分算法對(duì)溫控箱進(jìn)行恒溫控制。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的AT89C52單片機(jī),其硬、軟件完全符合系統(tǒng)的要求,為滿足測控精確度的要求,A/D電路選用12位轉(zhuǎn)換器,分辨率為2-12。本系統(tǒng)采用三相數(shù)字過零觸發(fā)器對(duì)六只晶閘管(Y/△接法均可)進(jìn)行輸出功率控制,即在電源電壓過零時(shí)觸發(fā)晶閘管,利用PID信號(hào)產(chǎn)生的控制信號(hào)使電流每周期按規(guī)定的導(dǎo)通波頭數(shù)導(dǎo)通負(fù)載,達(dá)到控制輸出功率,也就是控制爐溫的目的。采用過零觸發(fā)可減少電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生,觸發(fā)器與單片機(jī)光電隔離,可減少電網(wǎng)對(duì)微機(jī)的干擾,調(diào)功方式下電加溫爐的平均功率為:P=3nU2/NR(1)

式中:P為輸入電爐的功率;R為電爐的等效電阻;U為電網(wǎng)相電壓;n為允許導(dǎo)通的波頭數(shù);N為設(shè)定的波頭數(shù)。

注:公式(1)為負(fù)載Y接法適用

2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID參數(shù)的優(yōu)化 系統(tǒng)采用遺傳算法(Genetic Algorithm,簡稱GA)離線優(yōu)化PID參數(shù)[1]。20世紀(jì)70年代由美國J.Holland教授提出的遺傳算法(GA)[2]是一種模擬生物進(jìn)化過程的隨機(jī)化搜索方法。它采用多路徑搜索,對(duì)變量進(jìn)行編碼處理,用對(duì)碼串的遺傳操作代替對(duì)變量的直接操作,從而可以更好的處理離散變量。GA用目標(biāo)函數(shù)本身建立尋優(yōu)方向,無需求導(dǎo)求逆等復(fù)導(dǎo)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算,且可以方便的引入各種約束條件,更有利于得到最優(yōu)解,適合于處理混合非線性規(guī)劃和多目標(biāo)優(yōu)化。系統(tǒng)采用二進(jìn)制編碼選擇來操作,我們稱為染色體串(0或1),每個(gè)串表示搜索空間的一個(gè)點(diǎn)。它模仿遺傳進(jìn)化的步驟,引入如繁殖、交叉和變異的方法,在所求解的問題空間進(jìn)行全局的、并行的、隨機(jī)的優(yōu)化搜索[3]。

本系統(tǒng)用GA算法對(duì)PID離散化表達(dá)式[3]中的3個(gè)PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行離線優(yōu)化設(shè)計(jì),從而使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。本例中用C語言編寫的算法流程圖如圖2所示。

取采樣周期:T=80s;GA離線優(yōu)化結(jié)果為:積分時(shí)間:TI=240s;微分時(shí)間:TD=80s;比例系數(shù):KP=6;積分系數(shù):KI=KPT/TI=2;微分系數(shù):KD=KPTD/T=6。

2.2 變速積分PID控制算法 在傳統(tǒng)的PID算法中,因積分增益KI為常數(shù),故在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中其值不變。但系統(tǒng)對(duì)積分的要求是:偏差大時(shí),積分作用減弱,否則會(huì)產(chǎn)生超調(diào),甚至出現(xiàn)積分飽和;反之則加強(qiáng),否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求[4]。引進(jìn)變速積分PID控制算法能使控制性能得以滿足。其基本思路為:偏差大時(shí),積分累積速度慢,積分作用弱;偏差小時(shí),積分累積速度快,積分作用強(qiáng)。為此,設(shè)置系數(shù)f[E(K)],它是偏差E(K)的函數(shù),當(dāng)[E(K)]增大時(shí),f[E(K)]減小;反之則增大。每次采樣后,用f[E(K)]乘E(K),再進(jìn)行累加:

PI(K)=KI{ +f[E(K)]E(K)} (2)

式中:PI(K)表示變速積分的輸出值。

f[E(K)]與E(K)的關(guān)系可表示為:

E(K)≤B

B<│E(K)│≤A+B

∣ │E(K)│>A+B

將P(k)代入PID算式,得:

P(K)=KPE(k)+KI{+f[E(K)]E(K)}+KD[E(k)-E(k-1)](3)

變速積分PID控制算法程序框圖如圖3所示。

在此系統(tǒng)中,采用簡單的變速積分PID控制,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,取A=10,B=2效果良好。

2.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在89C52單片機(jī)上,由單片機(jī)控制的主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調(diào)用。溫度信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、溫度顯示、變速積分PID控制算法等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和快速加溫的切換等。軟件流程圖如圖4所示。采樣周期通過AT89C52的定時(shí)器T0和軟件計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用10kw電阻爐將溫控對(duì)象從室溫加熱到300℃,并使?fàn)t溫保持在此溫度,溫度值上下波動(dòng)±0.5℃。測得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為:延遲時(shí)間td=150s,超調(diào)量σ=3.1℅,上升時(shí)間tr=650s,調(diào)節(jié)時(shí)間tc=320s。對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較好。

4 結(jié)束語

基于PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),硬件上采用單片機(jī)89C52,軟件上采用遺傳算法(GA)對(duì)PID參數(shù)離線優(yōu)化、變速積分PID控制算法進(jìn)行控制。該系統(tǒng)具有調(diào)試簡單、精度高、體積小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行且效率較高。

參考文獻(xiàn):

[1]揚(yáng)德利,劉百勇,龔雪皓,等.半導(dǎo)體器件的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù).2001(2):41 4.

[2]Holland JH.Adaptation in Nature and Artificial Systems[M].MIT Press.1992.

[3]李士勇.模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1998.111 119.

[4]陶永華,伊怡欣,葛蘆生等.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1998.8.11.