單永明 王凱

摘要：恒溫搖床是生化領(lǐng)域常用的實驗儀器之一，為提高國內(nèi)低價恒溫搖床的溫度控制精度，重新設(shè)計恒溫搖床加熱溫控系統(tǒng)軟硬件。硬件方面采用STM32F103R6T6作為主控芯片，PT100作為溫度傳感器;軟件方面在常規(guī)PID控制算法中引入變速積分和微分先行改進算法。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該恒溫搖床加熱控制系統(tǒng)溫控精度達到±0.1°C，實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的性能指標(biāo)，且能達到高價恒溫搖床的部分指標(biāo)，具有一定的市場前景。

關(guān)鍵詞：恒溫搖床;PID算法;溫度控制

DOI：10. 11907/rjdk. 201117

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0169-05

Abstract： The thermostatic shaker is one of the commonly used experimental instruments in the field of biochemistry. The paper aims to improve the temperature control accuracy of domestic low-price thermostatic shaker. The hardware and software of the thermostatic shaker heating temperature control system have been redesigned. The hardware uses STM32F103R6T6 main control chip and PT100 temperature sensor. The software introduces a variable speed integral and differential advance improvement algorithm in the conventional PID control algorithm. The test results show that the temperature control system of the thermostatic shaker control precision reaches ±0.1℃， which has achieved the preset performance index. It reaches the target of high-priced constant temperature shaker and has certain market prospects.

Key Words： thermostatic shaker; PID algorithm; temperature control

0 引言

恒溫搖床作為常用的實驗儀器之一，主要為實驗物品提供一個溫度恒定的實驗平臺，如發(fā)酵、微生物及細胞培養(yǎng)等，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。我國每年進口的生化儀器產(chǎn)品主要來自美國、德國和日本等國家[4]，金額高達400億元以上[5]。在溫度控制理論研究方面，國內(nèi)外對傳統(tǒng)PID控制算法都作了許多改進，加入了微分先行、變速積分、積分分離等算法，在控制性能方面得到了一定提升[6]。目前一些先進的工業(yè)控制系統(tǒng)已引入串級控制、內(nèi)模控制[7]、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)[8]，更先進的控制系統(tǒng)理論仍在進一步研究中。

傳統(tǒng)國內(nèi)儀器設(shè)備在溫度控制的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、控制精度方面效果不佳，不能滿足一些對溫度敏感生化實驗的要求。本文受某公司委托，綜合考慮性價比，在不改動產(chǎn)品原有設(shè)備結(jié)構(gòu)和主要部件的情況下，只對恒溫搖床核心部分——加熱溫控系統(tǒng)的軟硬件重新進行設(shè)計。本文采用過采樣技術(shù)，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上提高采樣精度，為提高溫控精度打下基礎(chǔ)，并在常規(guī)的PID控制算法中引入變速積分和微分先行改進算法，有效改善了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，使加熱控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)控制精度由原先的±1度提高到±0.1度。該系統(tǒng)旨在提高國內(nèi)低價恒溫搖床溫控精度，為生物、化學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)實驗提供便利，具有一定的市場前景。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 硬件電路架構(gòu)

恒溫搖床由加熱電阻絲對箱體進行加熱，因此在加熱控制系統(tǒng)中，首先由傳感器檢測溫度，然后與設(shè)定值進行比較。單片機采用PID控制算法輸入模擬PWM波形，通過三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器導(dǎo)通，控制加熱電阻絲工作，并由上位機實時監(jiān)控溫度過程參數(shù)。分析以上各個功能模塊，在硬件電路層面將恒溫搖床溫控系統(tǒng)分為溫度測量電路、MCU電路、通信電路、驅(qū)動電路等部分。溫控系統(tǒng)硬件電路架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 軟件架構(gòu)

溫控系統(tǒng)軟件為運行在單片機中的固件程序，主要包括硬件驅(qū)動以及控制算法實現(xiàn)。結(jié)合程序的模塊化設(shè)計思想，軟件根據(jù)需要實現(xiàn)的功能分為以下模塊：溫度采集程序、溫度控制程序、串口通信程序等，MCU根據(jù)中斷切換處理事件。溫控系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

1.3 溫度控制策略

PID控制算法由于具有簡單易懂、穩(wěn)定可靠等特性，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。低價恒溫搖床溫控通常也采用PID控制，具體控制規(guī)律如式（1）所示。

式（1）中，[Kp]、[Ti]、[Td]分別是比例系數(shù)、積分時間常數(shù)與微分時間常數(shù)。PID控制器分為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的校正作用不同。比例環(huán)節(jié)負責(zé)將輸入和輸出產(chǎn)生的偏差信號e成比例放大，積分環(huán)節(jié)主要用于減少系統(tǒng)余差，提高控制系統(tǒng)控制精度，微分環(huán)節(jié)反映系統(tǒng)誤差的變化率。

溫控系統(tǒng)由于存在負載、死區(qū)、過沖等干擾，使系統(tǒng)具有不確定性及非線性等特點。傳統(tǒng)PID不具備參數(shù)在線調(diào)整能力，難以取得良好的控制效果[9]，因此低價恒溫搖床的溫控精度較低。本文通過設(shè)計變速積分和微分先行的改進PID控制算法，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。

2 硬件電路設(shè)計

根據(jù)圖1的硬件架構(gòu)設(shè)計，恒溫搖床加熱系統(tǒng)硬件電路主要包括4個子系統(tǒng)：MCU電路、溫度控制電路、溫度測量電路與RS-485通信電路。

2.1 MCU電路

MCU電路原理如圖3所示。加熱溫控系統(tǒng)的MCU采用STM32F103R6T6芯片，該芯片具有外設(shè)資源豐富、處理數(shù)據(jù)速度快、功耗低等特點[10]。參考時鐘源引腳外接25MHZ的晶振，晶振外殼與地相連，不僅能穩(wěn)定時鐘頻率，還能防止一些外部干擾。電源電壓與地引腳之間連接去耦電容，可以過濾掉一些高頻元器件產(chǎn)生的射頻能量，一定程度上提升了電源供電質(zhì)量。

2.2 加熱驅(qū)動電路

加熱驅(qū)動電路如圖4所示。加熱驅(qū)動電路采用固態(tài)繼電器驅(qū)動加熱電路，可實現(xiàn)高頻率PWM控制。繼電器內(nèi)部采用磁鐵吸附觸點進行工作，電路兩端分別控制繼電器導(dǎo)通和關(guān)斷，兩端都加入光電耦合器PC817。由于光耦信號只能進行單向傳輸，兩端電路沒有受到影響，完全實現(xiàn)了電氣隔離功能。

2.3 溫度測量電路

溫度測量電路如圖5所示。加熱溫控系統(tǒng)采用PT100鉑電阻溫度傳感器采集溫度信號[11]，PT100測溫的靈敏度、范圍、穩(wěn)定性、耐腐蝕性等性能都是傳統(tǒng)熱敏電阻無法比擬的。測溫電路采用惠斯通橋式測溫方法，當(dāng)測量的溫度與參考溫度不同時，傳感器負載將溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電壓差信號。STM32的ADC若直接進行采集將導(dǎo)致測量出現(xiàn)偏差，需要LM358芯片組成的橋式放大電路將壓差信號成比例放大后再由單片機進行采集，其中R16和C20組成濾波電路的目的是濾除噪聲。

2.4 串口通信電路

串口通信電路如圖6所示。上位機與加熱溫控系統(tǒng)之間使用RS-485協(xié)議進行通信，因此采用SP485芯片。該芯片是一款低功耗、半雙工的RS-485收發(fā)器，傳輸速率達到5Mbps。主控制器串口引腳通過SP485對TTL電平進行轉(zhuǎn)換，并接入485總線網(wǎng)絡(luò)中;主控制器PC3引腳控制數(shù)據(jù)發(fā)送方向;PRINT_T與PRINT_R兩個引腳之間為了防止信號反射，需要并聯(lián)終端電阻。

3 控制算法改進

恒溫搖床所處的環(huán)境溫度、箱體容器表面積都會對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定干擾，且傳統(tǒng)PID算法無法在線調(diào)整參數(shù)，溫控精度不夠理想。本文通過設(shè)計變速積分和微分先行的改進型PID控制算法，以改善系統(tǒng)控制效果。

3.1 變速積分

常規(guī)PID控制算法如式（1）中積分系數(shù)[Ki]是一個固定常數(shù)，主要作用是消除系統(tǒng)余差，提高系統(tǒng)控制精度。在恒溫搖床實際溫度控制過程中，開始溫度與目標(biāo)溫度相差很大，在加熱過程中也會根據(jù)需要隨時調(diào)整設(shè)定值，導(dǎo)致在短時間內(nèi)出現(xiàn)很大偏差。PID控制器積分作用的存在會造成對誤差的累積，使控制器輸出可能超過執(zhí)行機構(gòu)允許的最大動作范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，這在溫度控制系統(tǒng)中是不允許的。針對這種缺陷，本文選用變速積分[12]改進PID算法，根據(jù)偏差大小動態(tài)改變積分速度，在偏差較大時積分作用應(yīng)減弱甚至降為零，在偏差較小時則應(yīng)強化積分作用，提高系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)。變速積分PID算法表達式如式（2）所示。

上述公式中[f]取值范圍為[0，1]，并與偏差值e（k）滿足關(guān)系如式（3）所示。

3.2 微分先行

在常規(guī)PID控制中，微分、比例與積分同時作用以改善系統(tǒng)動態(tài)控制品質(zhì)。針對設(shè)定值頻繁改變可能引起系統(tǒng)振蕩的現(xiàn)象，本文選擇微分先行[13]改進算法。該算法對變化平緩的輸出量施加微分作用，而對給定值不施加微分作用。由于被控量的變化在通常情況下都很平緩，因此在改變給定值時，系統(tǒng)輸出不會劇烈改變。微分作用輸出與系統(tǒng)輸出之間的傳遞函數(shù)如式（4）所示。

對式（4）進行差分計算，如式（5）、式（6）所示。

3.3 仿真驗證

選取帶有延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如式（7）所示。

對式（7）進行仿真分析，選擇控制參數(shù)[Kp=0.45，Ki=0.004 6，Kd=12，A=0.6， B=0.4]。

階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖7所示。普通PID積分系數(shù)保持不變，變速積分參數(shù)隨偏差減小而增大，系統(tǒng)在采用變速積分算法后調(diào)節(jié)時間變短，速度得到提升。

依然采用式（7）的傳遞函數(shù)，輸入信號為帶有高頻干擾的方波信號，如式（8）所示。設(shè)置控制參數(shù)[Kp=0.3，Ki=0.005，Kd=12，γ=0.4]，微分先行PID控制算法的方波響應(yīng)仿真結(jié)果如圖8所示。當(dāng)給定值頻繁升降，微分先行能及時跟隨系統(tǒng)輸入，改善系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計

根據(jù)圖2的軟件架構(gòu)設(shè)計，加熱控制系統(tǒng)軟件程序采用“循環(huán)+定時/事件中斷”方式運行，下載編譯環(huán)境為 MDK5.1。軟件程序按實現(xiàn)功能可作如下劃分：串口通訊程序、溫度采集程序、溫度控制程序。

4.1 串口通信程序設(shè)計

串口通信程序運行框架如圖9所示，溫控系統(tǒng)采用串口通過modbus協(xié)議接收與發(fā)送數(shù)據(jù)[14]，在初始化串口后，程序不斷掃描接收緩沖區(qū)，判斷是否有數(shù)據(jù)[15]。當(dāng)以規(guī)定協(xié)議格式傳輸?shù)较挛粰CMCU時，下位機根據(jù)傳輸協(xié)議格式對其進行解析，判斷數(shù)據(jù)是請求獲取系統(tǒng)運行狀態(tài)命令還是請求修改控制參數(shù)命令。如果下位機解析結(jié)果為獲取控制系統(tǒng)某些狀態(tài)命令，下位機則根據(jù)協(xié)議格式將需要的狀態(tài)值打包，發(fā)送給上位機進行顯示;如果解析結(jié)果是修改某些控制參數(shù)，則對相關(guān)參數(shù)重新進行賦值。

4.2 溫度采樣處理程序設(shè)計

溫度采樣處理過程如圖10所示。首先，將溫度傳感器電壓信號經(jīng)過橋式放大電路轉(zhuǎn)化成符合STM32ADC的采樣電壓，然后在軟件上使用過采樣技術(shù)[16]提高信號采集靈敏度。 SMT32內(nèi)部集成了一個分辨率為12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，溫度變化0.1°C時不能及時作出響應(yīng)。本文設(shè)計的分辨率為16位，在每個采樣周期內(nèi)需要收集大量樣本，之后除以16，即累加和轉(zhuǎn)儲，得到的結(jié)果是16位有效數(shù)據(jù)。接下來采用滑動平均濾波[17]方法去除信號中的噪聲，滑動平均濾波方法[17]是針對本次采樣結(jié)果與過去若干個采樣值求取平均值而獲得有效結(jié)果的一種算法，可減少采樣次數(shù)，提升實時性，而且對于明顯的脈沖干擾有非常好的濾除效果。軟件設(shè)計一個存儲近期溫度值的數(shù)組，數(shù)組大小為20，將新采集的數(shù)據(jù)放到數(shù)組末尾后，去掉最小和最大值，求取平均值，得到的結(jié)果就是有效采樣值。之后利用區(qū)間線性擬合算法[18]計算出溫度值，在測溫范圍內(nèi)等間距地選擇6個標(biāo)定的ADC值，在實際操作中，根據(jù)每次經(jīng)過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換值求出選定標(biāo)定值的最小范圍。最后，在最小區(qū)間利用線性插補處理方法計算實際溫度值。

4.3 溫度控制程序設(shè)計

第3章所述的改進算法實現(xiàn)程序流程如圖11所示。圖中SP代表設(shè)定值;PV代表實時測量溫度;P為設(shè)置的比例帶大小，等于[Kp]的倒數(shù)。由圖11可以看出：通過計算SP和PV的誤差值，與所設(shè)定的比例帶進行比較，在下比例帶外禁止積分，以防止積分累積導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)全功率輸出，使搖床箱體內(nèi)溫度迅速升高。隨著時間推移，當(dāng)誤差值降低到設(shè)定閾值0.7P時，調(diào)用微分先行算法，改變輸出加熱電阻絲的功率，使溫度緩慢上升。當(dāng)溫度升高到設(shè)定值以上范圍時，調(diào)用變速積分算法。當(dāng)偏差大于設(shè)定值0.9P時，減小積分作用為0;當(dāng)偏差小于設(shè)定值0.2P時，增大積分作用。當(dāng)溫度上升超過上比例帶外時，主控制器輸出的PWM波形占空比為0，即加熱電阻絲不工作，同時使積分作用清零，依靠環(huán)境降溫。在每個控制周期內(nèi)，控制系統(tǒng)采用相同的控制策略，輸出比例、積分和微分組成的控制量。

5 加熱系統(tǒng)調(diào)試

硬件調(diào)試完畢后，將控制算法通過代碼實現(xiàn)并燒錄到單片機中。實驗環(huán)境溫度為25°C左右，選取高溫50°C、中溫35°C進行系統(tǒng)加熱測試。實際編寫程序時，為了避免出現(xiàn)小數(shù)，對誤差進行10倍放大。工程上整定PID參數(shù)經(jīng)常使用試湊法[19]，經(jīng)過多次實驗，最終確定系統(tǒng)控制參數(shù)P=40，[Ti]=200。上位機以Labview作為編程環(huán)境[20]，單片機通過串口將數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議格式發(fā)送給上位機，上位機利用其內(nèi)部集成的VISA模塊和顯示控件對數(shù)據(jù)進行解析，并以圖形化方式實時顯示溫控參數(shù)，為調(diào)試提供便利。實驗結(jié)果如圖12、圖13所示。由圖可以看出：系統(tǒng)溫度快速上升，無超調(diào)現(xiàn)象，并且溫度控制精度在±0.1°C，滿足系統(tǒng)的預(yù)設(shè)指標(biāo)。

6 結(jié)語

恒溫搖床加熱溫度控制系統(tǒng)采用鉑電阻溫度傳感器PT100采集搖床箱體溫度，通過主控制器內(nèi)部實現(xiàn)的PID算法控制加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)運行過程溫度參數(shù)經(jīng)過LabVIEW內(nèi)部集成的顯示控件進行實時監(jiān)控。設(shè)計的控制算法經(jīng)過軟件實現(xiàn)并部署在主控制系統(tǒng)中，選取高溫50°C、中溫35°C進行系統(tǒng)測試，采用LabVIEW顯示控件對溫度參數(shù)進行實時監(jiān)控，結(jié)果表明：溫度控制精度為±0.1°C，達到預(yù)設(shè)目標(biāo)，可提高國內(nèi)低價恒溫搖床的溫控精度。

參考文獻：

[1] 蘆宏斌， 陳瑋， 程環(huán).? 搖床機構(gòu)仿真分析[J].? 醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 2012， 33（8）： 24-27.

[2] 臧衍樂， 朱文俊， 雷杰.? 國產(chǎn)電腦橫機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其改進[J].? 西安工程大學(xué)學(xué)報， 2011， 25（4）： 453-456.

[3] 曲廣毅.? QYC-200恒溫空氣搖床控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].? 中國醫(yī)學(xué)裝備， 2013， 10（6）： 61-62.

[4] 范紅， 王磊， 韓世鵬.? 淺談我國生命科學(xué)儀器研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化[J].? 中國科技資源導(dǎo)刊， 2019， 51（4）： 12-15.

[5] 伊彤， 常靜.? 中、美、德、日科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新比較研究[J].? 中國科技論壇， 2017（7）： 161-183.

[6] 周彬.? 大滯后特性溫度系統(tǒng)的控制[D].? 重慶：重慶大學(xué)， 2002.

[7] 文新宇， 張井崗， 趙志誠.? 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制[J].? 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2003 （34）： 225-229.

[8] MAHDI Z， SEYED A T， DAVID V. Neural networkbased sensorless direct power control of permanent magnet synchronousmotor[J].? Ain Shams Engineering Journal， 2016.

[9] JOSEPH M. 基于微處理器的PID控制器的設(shè)計與應(yīng)用研究[D].? 長春：吉林大學(xué)， 2015.

[10] 徐娟娟.? STM32F103的汽車遠程防盜系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用， 2012（11）：66-69.

[11] 王青.? 基于PT100的溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J]. 計算機測量與控制， 2019， 27（9）：47-50.

[12] 夏玉發(fā)， 郭曉學(xué)， 劉宇紅.? 基于變速積分PID的恒溫控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].? 電腦知識與技術(shù)， 2014， 10（6）： 3921-3922.

[13] 楊曉生， 彭志堅， 肖益波，等.? 基于微分先行PID算法的鑄錠爐溫控系統(tǒng)[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備， 2009， 38（7）： 42-45.

[14] 謝子馨.? 計算機串口通信分析[J].? 通信電源技術(shù)， 2019， 36（9）： 188-189.

[15] 崔玉鳳， 蔡立娟， 王彩霞，等.? STM32與虛擬儀器串口通信的研究[J].? 信息通信， 2015， 28（12）： 207-208.

[16] 王文海.? 基于STM32微控制器的過采樣技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].? 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2017（10）：5-7.

[17] 牛余朋， 成曙.? 單片機數(shù)字濾波算法研究[J].? 中國測試技術(shù)， 2005， 31（6）： 97-99.

[18] YUKITERU K，DAISUKE A，HARUMI S，et al. Usefulness of a curve fitting method in the analysis of overlapping overtones and combinationsof CH stretching modes[J].? Journal of Near Infrared Spectroscopy， 2002， 10（1）： 401-414.

[19] 王慶燕， 李祥龍.? 直線電機新型PID控制研究[J].? 金陵科技學(xué)院院報， 2018， 34（3）： 15-18.

[20] 鄧玲敏， 張鵬朱， 繼勇，等.? 基于LabVIEW的智能灌溉上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)的設(shè)計[J].? 信息通信， 2019（11）： 113-115.

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