PID温控实验平台的设计与应用

李震春 许积文 陈国华 苏吉青 田志

摘要：本文设计了基于STC89C52单片机的温度控制系统。开发了PC机测控软件，通过串口通信实时对实验平台发送PID参数、PID控量、PWM周期、目标温度等控制参数，实时采集并保存来自实验平台的温度数据，并做出温度曲线。该平台经过实验验证取得了较为满意的控制效果，可以帮助学生更好地理解和灵活掌握PID控制理论，提高学生的综合能力和创新能力。

关键词：实验平台；温控系统；测控软件；PID控量；PWM周期

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）18-0277-02

PID（Proportional Integral Derivative）控制由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于温度、转速、流量等工业过程控制[1]。本文根据工科物理实验课的教学要求，设计了PID温控参数的优化实验。

一、实验平台的设计

1.数字PID控制原理（略）。

2.系统总体设计方案。系统的总体结构框图如图1所示，分为89C52微控制器、上位机软件、LCD显示、DS18B20测温[2]、双向可控硅及其控制的加热器。系统启动后，根据预定或上位机软件发送来的PID参数、PID控量、PWM周期、目标温度等控制参数，当采样周期到达时，由DS18B2检测容器的实际温度送给单片机，单片机通过串口再将温度值传到上位机实时保存和显示，并且将采集到的温度信号与设定温度值进行比较。当偏差信号大于PID控量时，为了加快加热速度，双向可控硅与发热管处于满负荷输出状态，PID调节器不起作用；当偏差信号小于或等于PID控量时，根据偏差信号及PID参数计算出相应的PWM控制量，从而控制加热器以多大的功率进行加热，使容器的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度。

3.硬件电路设计。由于电加热管需要220V供电，因此不能直接连接单片机。由光电耦合器MOC3020和双向可控硅BTA12-800B组成加热管控制电路；由双向可控硅和加热管串接在交流220V供电回路中形成加热管工作电路。具体温度控制电路见图2。这种温度控制电路，一方面使得控制端（弱电）与负载端（强电）能有效隔离，提高抗干扰能力，实现小功率控制大功率；另一方面根据位置式或增量式PID算法获得的计算结果Un（ΔUn），将模拟量转化为时间量，然后改变给定控制周期内加热管的导通和关断时间比例，达到调节温度的目的，这种控温原理称为脉冲宽度调制（PWM）[3]。另外，由于通过可控硅的电流很大，大约为5A，所以做硬件实物时必须接一块散热片来保护。

4.程序设计。软件程序主要由主程序、T0中断服务子程序构成。主程序主要完成系统初始化，PID参数、PID控量、PWM周期、目标温度等控制参数的更新，读取并显示温度，由PID计算出加热时间等工作，其流程图如图3所示。T0中断服务子程序主要完成确定采样周期、产生读温度标志位和控制加热功率的工作，其流程图如图4所示。

5.上位机软件的设计。在本温控系统中，以单片机89C52作为下位机，用可视化语言VB编程实现上位机，向用户提供直接的人机接口管理界面，下位机与上位机通过串口进行通信。通过运行上位机的监控软件，用户可方便的对PID参数、PID控量、PWM周期、目标温度参数等进行在线修改，接收下位机上传的温度信息数据，并实时显示温度值以及变化趋势。另外，实际温度值随时间变化的数据也可以保存成Excel文档，方便用户用其他软件，如Origin等分析实验现象。

二、PID温控参数的优化实验

数字PID控制器参数的整定必須依靠经验和现场调试来确定控制器的参数。本实验系统中PWM周期与采样周期一样。PID控量等于设定目标温度与PID启动调节的起始温度之差，由于温度控制系统是一个惯性较大的系统及温度传感器对温度的检测也存在一定的滞后效应[4]，如果PID控量过小或过大都可能导致较长时间才能达到设定值甚至难以达到设定值。因此，PWM周期、PID控量的合理设置对温控效果有极其重要的作用。本实验利用正交实验方法研究KP、KI、KD、PID控量、PWM周期等控制参数对温控效果的影响，实现更优化的PID温度控制参数。

将PWM周期、PID控量合并为一个因素并记作KT+KC，四个因素的三个水平的取值分别为：KP={1，4，8}，KI={0.1，0.5，1.0}，KD={2，5，8}，KT+KC={1+0.5，2+1，3+1.5}，设计一个L9（34）正交实验表，如表1所示。将从20℃到稳定在70℃的调节时间内作为本次实验的实验指标。利用直观分析法对数据进行统计，得到的结果见表1。根据各列极差R的计算结果，可得出该控制系统影响控温效果最为显著的是KP，然后KC+KT、KD，最后是KI，由此可见，PWM周期、PID控量的合理设置对温控效果有极其重要的作用，且与理论分析结果相一致。根据k1、k2、k3的计算结果可得出本轮实验对系统最好的参数取值应该是KP=8，KI=0.1，KD=2，KC=1℃，KT=1s。用此参数实测得到温控曲线见图5，其调节时间为550s，超调量为2.7℃，稳态误差为0.2℃，达到了预期的参数优化效果。

三、结语

实验结果表明：PWM周期、PID控量的合理设置对温控效果有极其重要的作用，与理论分析相一致。

参考文献：

[1]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]余瑾，姚燕.基于DS18B20测温的单片机温度控制系统[J].微计算机信息，2009，25（3）：105-106.

[3]高立兵，康雁林.基于AVR单片机的PID温控系统设计[J].工业控制计算机，2010，23（4）：91-92.

[4]曾光奇.模糊控制理论与工程应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.