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1、基于P I D 算法的高精度温度控制系统 T e m p e r a t u r eT e s tS y s t e mo fA c c u r a t eI n f r a r e dT h e r m a ll m a g e rB a s e do nP I D 张宝伟( 中国电子科技集团第4 l 研究所，安徽蚌埠2 3 3 0 0 6 ) Z h a n gB a o - w e if 1 1 l e4 1 s tr e s e a r c hI n s t i t u t eo f C E T C ，A n h u iB g b u2 3 3 0 0 6 ) 摘要：为了保证热像仪的成
2、像精度，其温度变化有着非常严格的要求。本文阐述了系统的1 ：作原理、硬件结 构和软件设计框架。通过测试。测试系统的控制精度在0 1 优于系统的设计要求该测试系统具有广泛的应 用价值。 关键词：P I D 算法；温度；微控制器 中图分类号：T P 2 7 3文献标识码：B文章编号：1 0 0 3 - 0 1 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 8 - 0 0 1 6 - 0 3 b n 峨：I no r d e rt o s u r ep f e c t s g ，no fi n f r a r e dt r 塘r m a li m a g e r v m l e h1 88 t r i G l
3、w t t ht e m p e r a t u r ec h a n g eW ed e v e l o pt e m p e r a t u r e t e s ts y s t e mo fi n f r a r e dt h e r m a li m a g e rf “e n s u r ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r ec t 、a n g eT h i sa r t i c l ee x ，o a t i a t e sp n n c i p l eo fs y s t e mh a r d - w a r ea n ds o f t
4、 w a r ef r a m eW i t hm e a s u r e m e n t t h ec o n t r o lp r e c i s K ) no ft e s t i n gs y s t e mi s 00 2 “ Cw h i c hi sb e t t e rt h a nd e s i g nr e q u e 越 ds y s t e mT h es y s t e mh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e K e yw 础：P I D ：1 1 I g hp m B 1 r r u c r o -
5、 c o n t r o l l e r C L Cn n b - ：T P 2 7 3O o 删哪ne e d l ：B d I D ：1 0 0 3 0 1 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 1 6 0 3 1 前言3 系统的硬件设计 温度的测最与控制在围防、军事、科学实验及丁农业生产 中具有十分重要的作用。温度的测量方法大致分为接触法和 非接触法。接触式测温法中，热电偶、热电阻温度计应用广泛， 该方法设备简单，操作方便，但在连续生产的在线质量检测中 存在使用局限。非接触测温法主要以辐射测温法为主，用于检 测不能接触或禁止接触的目标。由于红外热成像系统靠温差 成像，测试其温差
6、变化就显得非常重要，本文介绍的测控系统 结构简单、控制精确达到0 1 ，达到了系统的设计要求。 2 测试系统结构 图1 结构框图 系统的结构原理如图1 所示。利用铂电阻阻值随温度变 化的特性，通过温度采集电路将温度值转换成对应的电压信 号，经过信号调理变成符合A D 芯片规范的信号，控制单元对 输入的温度信号处理后得到控制温度的P W M 信号和相应的 显示值；和上位机通讯实现中远距离的监控，为防止掉电数据 损失，将修正数据和关键参数保存到外部存储电路中。 鼋詹 温度采集A D 电路： 铂电阻具有精度高、性能稳定、应用范围广，在温度测量 中常常作为传感器的首选。本测控系统的测温范围一5 0 +
7、 7 0 ，选用P t l 0 0 作为传感器。通过独立电源对测温电桥和A D 芯片供电。从测温电桥得到的温度信号经滤波后通过模拟开 关送给A D 芯片，测试系统的精度很大程度上取决于A D 转换 的精度，”精确、干净”的数字信号使后续处理变得非常容易， 系统中采用了2 4 位的C S 5 5 5 0 A D 芯片。 图2 温度采集A D 电路 P I C l 6 F 8 7 3 A 单片机作为系统的丰控制器，是整个系统的 核心，单片机根据采集来的温度电压信号计算出温度偏差，依 据P I D 算法算出相虚的控制输出量，继而控制外部的加热制 万方数据 冷半导体，从而实现对系统的温度控制。此外，单
8、片机还负责 按键处理，数值显示以及与上位机的通信等T 作。该款芯片是 M I C R O C H I P 公司生产的支持R 1 S C 的高性能8 位单片机，3 5 条精简指令构成的指令系统，给编程人员带来了极大的方便。 系统的片上硬件资源包括两路P W M 输出，1 2 C 和U S A R T 接 口和3 个定时器等片上硬件资源。芯片包含8 级硬件堆栈，内 置看门狗定时器及独特的加密方式，使其在安全保密方面的 性能非常出色。 驱动电路：驱动电路采用继电器作为中间隔离驱动，由单 片机输出控制信号，经过i 极管的隔离处理，实现对外部加热 制冷的方向控制。同时单片机的端几输出P W M 控制信号
9、，通 过隔离放大后控制外部的P M O S 管来控制外部电流，实现加 热制冷的精确控制。 图3P W M 控制输出电路 4 软件设计 温控系统是非线性的、具有纯滞后的惯性系统，因此温控 系统的受控对象叮用一阶惯性环节加延迟环节表示，其传递 函数是： G ( s ) = 器 ( 1 ) 式( 1 ) 中，K 系统的静态增益； L 系统的时间常数； 下对象的纯滞后时间常数。 软件的控制算法采用了P I D 算法来实现对系统的控制。 所谓P I D 控制就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差 的积累和偏差变化的趋势进行控制。传统的P I D 控制公式为： u k = K p e ( k ) + K
10、 i 乞e ( i ) + K d 【e ( k ) 一e ( I 【一1 ) 】 ( 2 ) J = 0 式f 2 ) 中，U 。是第k 次采样的输出值；e 取) 是第k 次采样时 刻的偏差值；e ( 1 【一1 ) 是第k 一1 次采样时刻的偏差值；K i 是积分 系数，K i = K p T T , ；K d 是微分系数，K d = K p T d r 。由于U k 是伞局 输出，其计算量大；并且在肩动停止时其位置可能发生大的跳 变，在实际应用中存在危险，增量式P I D 算法町以避免上述 情况。 P I D 增量型计算公式为： 测试测量技术 A u ( k ) = “ e 伥) 部-
11、1 ) + e ( I 【卜 e ( k ) 一2 e ( 1 【一1 ) + e ( k 2 ) ) ( 3 ) 式( 3 ) 中，k 为比例系数，T l 为积分时间常数，T d 为微分时 间常数，T 为采样周期。e ( k ) ，e ( 1 【一1 ) e ( k 一2 ) 分另J J 为第k 次、第k 1 次、第k - 2 次的偏差值。 式( 3 ) 可简化为：u o 【) = A e ( 1 【) + B e 取一1 ) + C e ( k 一2 ) ( 4 ) 式( 4 ) 中， A = K p ( 1 + 7 I 、厂r i + T d ，D B = K p ( I + 2 T a
12、 n C = K p T d ，T 单片机按采样周期T 将偏差值带入式( 4 ) 中。由公式的输 出量决定P W M 方波的占空比，进而控制加热致冷功率的 大小。 图4 O 采用增量P 1 D 算法编程简单。占用存储空间少，运算量 小，控制方便。适合容量空间小的微处理器。 通过对P I D 控制理论的认识和长期的经验总结，发现：在 P I D 控制中，增大比例系数可提高系统的调节精度；积分控制 可减小系统的稳态误差；微分控制能对偏差变化进行提前预 报，改善系统的动态性能。在偏差较大时，为提高响应速度避 免系统出现大的超调量，k 取大值，K 取0 ；在偏差较小时，为 防止系统振荡、稳定性变差。k
13、 取小值，K ，取小值；在偏差很小 时，为消除静态误差，克服超调，k 取小值，K ；取稍大值。综上， 采用积分分离P I D 法实现系统的控制算法。 5 系统的测试 在系统设计完成后，对系统进行了测试，测试结果分别如 表1 、2 , 3 所示。 “ F 转2 6 页 2 0 1 0 第0 8 期l i b 万方数据 醒星鲨k 坐 标T 1 2 的权重较大，这表明该指标在通信网可靠性因素中是 一个重要因素，考虑到理论与现实相结合，则指标T 1 2 不宜被 删除，所以在此只将指标T 1 4 与T 1 5 剔除掉，从而降低指标体 系冗余度。利用粗糙集属性约简方法，借助计算机技术，并联 系实际情况，可
14、以在不降低指标体系评估能力的前提下很好 地约简冗余指标。 3 4 处理结果 通过以卜数据分析处理，指标体系的权蕈得到了修正，降 低了指标相关性对评估结果的严重影响，使其更具合理性，并 剔除了对评估结果影响较小的冗余指标，使得指标体系更简 洁，更具有可操作性。这样，便从一定程度上完成了对通信网 可靠性指标体系的优化。 4 结束语 通信网可靠性指标体系是评估通信网可靠性的基础。借 助了计算机技术，采用相关系数法根据指标间的相关系数计 算指标的客观权系数，修正权重。从而降低指标相关性对评估 结果带来的影响，并采用粗糙集属性约简方法，在不降低评估 指标体系评估能力的前提下，对通信网可靠性指标体系进行
15、约简，剔除掉冗余指标。 降低相关性、减少冗余度只是指标体系优化工作中的需 要解决的基本问题，如何更好地构建出合理、有效的评估指标 体系，仍需要继续探索。 参考文献： 川云俊，李远远顾目评价中指标体系选取的有效性及优化阴 商业时代，2 0 0 9 ( 9 ) ：4 7 - - 4 8 【2 】自雪梅，赵松山由指标相关性引出的确定权重的方法【J 】江 苏统计，1 9 9 8 ，4 【3 】王彪，段禅伦，吴吴，等粗糙集与模糊集的研究及应用【M 】北 京：电子工业出版社，2 0 0 8 【4 】张林兴电信工程设计手册【M 】北京：人民邮电出版社，1 9 9 7 上接1 7 页 ) 表1 测试结果( 温
16、差设定为一3 。C ) 测试温度( )2 1 9 0 2 2 O l2 2 0 82 2 1 42 2 2 52 2 3 4 设定温度( )2 4 9 l 2 5 0 12 5 0 72 5 1 62 5 2 52 5 3 3 温度差值( )一3 0 1 - 3 0 0 2 9 9 3 0 2 - 3 0 0- 2 9 9 表2 测试结果( 温差设定为0 2 E ) 测试温度( ) 2 5 6 62 5 7 l2 5 8 42 5 8 92 6 0 32 6 1 l 设定温度( )2 5 4 7 2 5 4 92 5 6 52 5 6 82 5 8 22 5 9 0 温度差值( ) O 1 9
17、0 2 lO 1 9O 2 l0 2 l0 2 l 表3 测试结果( 温差设定为4 。C ) 测试温度( )2 5 6 6 2 5 7 l2 5 8 42 5 8 92 6 0 32 6 1 l 设定温度( ) 2 1 6 52 1 7 l2 1 8 42 1 8 82 2 0 52 2 1 l 温度差值( ) 4 O l4 0 04 o o4 0 13 9 84 0 0 从表l 、2 、3 中可以看出，系统的显示温控精度达到了4 - 0 0 2 。C ，实际温度控制精度在O 1 ，达到了系统的要求。 四鼋j 威 6 总结 本文介绍的温度控制测试系统，采用了增量式P I D 计算 公式，通过控
18、制参数的灵活设置，使控制简单灵活，能够应用 于复杂多变的环境中。与上位机的通讯设置，使用户不必亲临 现场就实现远程监控调节。经过实验验证，测试系统稳定性 好、控制精度高，应用场合广，具有广泛的实际应用价值。 参考文献： 【1 1 戴季东非接触红外测温器在工业测控领域的应用m 电子 仪器仪表用户，1 9 9 6 ：1I - 1 3 【2 】杜静，千振民模糊P I D 在电阻炉温度控制系统中的应用叨 机械管理开发，2 0 0 5 ，4 ：4 7 _ 4 8 【3 】王慧计算机控制系统【M 1 北京：化学工业出版社，2 0 0 4 【4 J 张宏，戴景民面黑体辐射源温控系统的设计与实现f J J 电机 与控制学报，2 0 0 6 ，9 ：5 2 9 【5 1 汤红诚，李著信，王正涛一种模糊P I D 控制系统【J 】电机与控 制学报，2 0 0 5 ，9 ：1 3 6 - - 1 3 8 万方数据