基于闭环控制的远程水温控制系统

李佳琦

摘要：温度控制技术在现代工业领域起着十分重要的作用。其中，水温控制系统在电力、化工领域应用广泛。该文设计一个基于PID闭环控制的远程水温控制系统。该系统通过电桥电路将温度传感器接入电路，电桥的输出信号经过运算放大器放大，放大后的模拟信号经过数字采集卡转换为数字信号传入计算机。计算机对采集的信号进行分析处理后，发出反馈信号。反馈信号通过数字采集卡的DO口输出，控制光电隔离电路，进而控制继电器的通断，控制电炉的工作状态。实验的结果表明该系统具有稳定性好、可靠性高等优点。

关键词：水温控制；PID闭环；温度传感器；放大电路；光电隔离 ；继电器

中图分类号：U442 文献标识码：A 文章编号：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

温度控制系统是在工业生产中广泛存在的系统，但这种系统具有很大的时滞性[1]。由于时滞对控制量输出的纯延迟作用，控制系统在超调量、稳态误差及稳定性等控制性能方面显著地变坏。控制专家们对其进行了多年的研究，但至今尚未得出能在实际应用中对时滞系统进行有效控制的方法，因而它被公认为是一种较难控制的对象。

本文设计出一种基于PID闭环控制[2]的远程水温控制系统，通过PID算法中比例、积分、微分参数的设定，实现对系统的有效平稳控制。

2 系统组成

系统主要由电源、温度传感器、电桥电路、光电隔离电路、数据采集卡、服务器和客户端软件与电炉的继电器控制电炉组成。其中温度传感器采用PT100温度传感器[3] ，服务器和客户端软件采用C/S[4]模式搭建。

2.1 系统硬件电路

包括电桥电路、信号放大电路、光电隔离电路和对电炉的继电器控制电路。

2.1.1 传感器接入电桥电路

PT100温度传感器连接在如图1所示的电桥中。该电桥中，一共有四个电阻：热电阻Rpt100、两个10K的电阻R1、R2和一个可调电阻Rx。其中，热电阻Rpt100采用工业“三线制”接法，消除导线电阻带来的误差。

2.1.2 信号放大电路

由于电桥电路输出的信号十分微弱，实现对信号的放大是必要的。本系统采用AD620芯片实现放大功能。如图2所示。

PortA和PortB分别接电桥的输出信号，在1引脚和8引脚之间接入一个滑动变阻器，用于调节放大电路的放大倍数。PortC是运算放大器的输出信号；PortD是与数据采集卡模拟输入（AI）的GND相连接的。

AD620的放大增益为：Af=1+49.4k/RAMP。

2.1.3 光电隔离电路

光电隔离电路[5]的作用是使计算机的输出与继电器控制电路的强电部分进行隔离，实现对电路的保护。该电路采用ULN2803和PC817光耦元件组成驱动电路，如图3所示。

数据采集卡的输出端DO与ULN2803的输入端相连接。当DO口输出一个高电平时，经过ULN2803转换成一个低电平，驱动PC817左端的LED发光，使PC817右边的三极管导通，进而，PC817右边的电路也导通；反之，不导通。

2.1.4 继电器控制电路

通过光电隔离电路的输入，控制继电器的通断，进而控制电炉的工作。

2.2 系统服务器端和客户端软件

本系统通过C/S模式，服务器端使用MFC对服务器端接收到的数据进行处理和分析，包括信号的采集、标定、滤波、存储、分析和远程传输。客户端实现了客户端和浏览器端对系统实时采集的数据进行远程查看的功能，并且实现了系统的远程控制功能。

2.3 PID控制算法

对比例、积分、微分参数的设定，完成对系统的有效平稳控制。

通过多次且具体的实验，对PID的参数Kp 、Ti 、Td设定如下：

比例Kp为当前值的60%～70%；

积分Ti为当前值的150%～180%；

微分Td一般不做考虑，为0即可。

3 结论

本系统所设计的远程水温控制系统是基于PID闭环控制算法实现的。PID算法的参数设定是整个系统最关键的部分，它根据被控过程中特性的变化动态改变PID的比例、积分和微分的系数。在本系统中，PID的设定依赖实验和工程实践过程中的经验，直接对控制系统的参数进行设定，并对控制过程中的参数进行微调，就可以满足需求了。此系统的PID算法具有方法简单、易于掌握、稳定性高的优点，在实际的工程实践中具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 段江霞. 模糊PID控制在大惯量时滞温度控制系统中的应用研究[D]. 兰州大学， 2013.

[2] 张文庆. 用PLC的软件实现PID闭环控制[J]. 自动化技术与应用， 2003， 22（02）：7-8.

[3] 张志勇， 辛长宇， 朱玉龙，等. Pt100温度传感器非线性的补偿方法与电路实现[J]. 电子器件， 2007， 30（06）.

[4] 高岭， 林凯， 李增智. 面向C/S和对象Web的管理信息系统开发研究[J]. 小型微型计算机系统， 2001， 22（02）：222-225.

[5] 张雄星， 王超， 陈超，等. 线性光电隔离电路的设计[J]. 现代电子技术， 2010， 33（24）：189-190.