基于PID的炉温控制系统设计及仿真

1、 收稿日期 :2005-10-27 作者简介 :向 丹 (1980 , 女 , 湖北人 , 广东技术师范学院教师 , 中南大学研究生 , 研究方向为控制工程 ; 喻寿益 (1940 , 男 , 江西人 , 中南大学教授、 博士生导师 . 研究方向为自适应控制理论及应用 , 复杂机电系统自动化 , 进化计算理论及应用等 .广 东 技 术 师 范 学 院 学 报2005年第 6期Journal of Guangdong Polytechnic Nor mal UniversityNo . 6, 2005基于 P I D 的炉温控制系统设计及仿真向 丹1, 2 喻寿益1(1. 中南大学 信息科学与工

2、程学院 , 湖南 长沙 410083; 2. 广东技术师范学院 自动化系 , 广东 广州 510635 摘 要 :根据电烤炉炉温的控制特点 , 针对温控系统的大纯滞后性 , 采用了带 S m ith 预估器的数字 P I D 控制器设计方案 , 对控制算法和控制软件进行了设计 . 并应用仿真技术 , 选择适当的调节参数 , 使系统达到了满意的控制 效果 . 关键词 :温度控制 ; 数字 P I D 控制器 ; S m ith 预估器 中图分类号 :T M 924 文献标识码 :A 文章编号 :1672-402X (2005 06-0102-031 引言温控系统已成为工业生产 、 科研活动中的一

3、个 重要组成部分 , 能否成功的将温度控制在所需的范 围内可能关系到整个活动的成败 . 烤箱炉温 (节 , 采用带 S m ith 进行控制 , 求 . , 这类系统不 . 由于 S m ith 预估器从 理论上便于解决大纯滞后系统的稳定性问题 , 故本文 设计了一个带 S m ith 预估器的温控系统 , 该系统能有 效抑制大纯滞后的影响 , 且实现简单 , 可靠性好 .2 系统组成1. 系统原理及特点CHF W 3 60电烤炉是一个带微机控制接口的电烤炉 , 本设计是以该电烤炉为控制对象 , 研究电烤炉炉温的调节规律及控制系统的结构 , 用数字程序控 制方法编写程序控制炉温 , 并进行了计

4、算机仿真 .本设计采用微型计算机控制的数字 P I D 控制系 统 , 可用微型机完成 P I D 控制运算 、 信号检测 、 采样 、 晶闸管触发等功能 , 并可通过显示器观察温控曲线 . 采用热敏电阻传感器作为温度检测元件 ; 本设计中 , 选用 12位高速 A /D板 AC1050将模拟电压转换成 数字量 ; 又由于要对其进行控制 , 必须由反馈量输 出 , 而计算机输出是数字量 , 因此我们用带光隔离的 4路 12位 D /A转换器 AC1331转换 , 从而可得模拟控制电压 . 本设计还由计算机和光电耦合起来实现 晶闸管的触发 , 性 , , .ith , 被认为是解决时滞系统控制问

5、 题的有效办法 . 本设计加入了史密斯 (S m ith 预估 器 . 经补偿后的闭环控制系统 , 消除了滞后部分对 控制系统的影响 , 式中的滞后不再影响系统的稳定 性 , 只是系统的输出在时间上滞后了一个时间 , 而调 节器的设计及参数选择仍和没有滞后环节一样 , 实 时控制达到了满意的效果 .2 带 S m ith 预估器控制器的设计 2. 1 温控系统的补偿原理根据我们的实验结果 , 我们可以近似的把电烤箱看作是一个具有自衡能力的对象 , 可用一阶惯性 环节和一个延时环节来近似 , 即其传递函数为 Gp(S :G p (S =1+T 0Se s 式中 :T 0 电烤箱的时间常数 ; 电

6、烤箱的滞后时间 T 0=4, =0. 5; D /A 转换器归为保持器范围 , 系统中采用零阶保持器 ,传递函数为 :G h (s =-TsST 采样周期 . 由补偿器的 补偿原 理知 , 系统 的闭 环传递 函数 为 :W (S =G c (S G 0(s e -s1+G c (s G 0(s . 在加入滞后环节以后 ,可将框图 1中原被控对象中的滞后环节移到闭环之外 , 系统的稳定性就不再受滞后环节的影响 ; 只是系 统的输出在时间上滞后了一个时间 , 而调节器的2 1设计及参数选择仍可以和没有滞后的环节一样 . 在反馈通道中串入一个超前环节 e -s的反馈控制系 统 , 输出信号 y (

7、t 经过一个超前环节形成反馈信号 Y (t 后再进入调节器 . 因此 , 这个反馈信号在时间 上超前于输出信号一个时间 , 也就是 y (t =y (t+由此可见 , 这样的反馈信号实际上是通过对输 出信 0号 Y (t 的预估而产生的 , 从而使调节器产 生超前控制作用. 图 1 实际补偿系统方框图图 2 具有滞后补偿的控制系统框图2. 2 补偿系统的实现, 统的方框图如图 2所示 :从图 2可见 , 个步骤 :1 计算系统的偏差 e (i =r (i -y (i 2 按图 2计算史密斯预估器的输出为 :y (i =z (i -z (i -i0 .a 计算调节器的输入 e c (i =e (

8、i -y (i b 计算调节器的输出 U (i =K pe (i +T iij =0e (j T +T de c (i -e c (i -1Tc 将 u (i 输出 , 控制被控对象 , 再回到第一步 . 计 算 得 出 调 节 器 的 输 出 u (i =e (i -e c (i +1 +T i e c (i +T d Te c (i -2e c(i -1 +e c (i -2 在 实践调节中 , 可根据需要改变 P 、 I 、 D 系数的数值 . 在计算过程中我们采用增量式计算 , 而输出则采用 位置式输出形式 :u (i =u (i -1 + u (i .3 温控系统的硬件设计本设计整个

9、炉温控制系统由两大部分组成 , 第一部分由计算机和 A /D及 D /A卡组成 , 它主要完 成温度采集 , P I D 算法 , 产生晶闸管的触发脉冲 . 第 二部分有传感信号放大 , 同步脉冲形成 , 以及触发脉 冲放大组成 . 该温控系统的硬件组成如图 3所示 : 从图 3可知 , 热敏电阻用来检测电烤箱炉温 , 将温箱中的温度转变成电压信号放大 , 和通过采样所 检测得到的电压信号一起都转换成数字量送入微机 中比较 , 其差值即为实际炉温和给定炉温的偏差 . 微型机构成的数字 P I D 控制器对偏差按一定的控制 规则进行运算 , 运算结果送 D /A转换成模拟电压 , 以及测过零装置

10、的结合运算 , 给 MOC3021光电耦合 器一个低电平 , 控制其导通 , 从而控制晶闸管的导通 角 (即改变电加热炉加热丝两端的有效电压 , 有效 电压可在 0140V 变化 , 晶闸管的导通角为 05bH , 简单地说 , 就是如果采样温度低于预置控温 值 , 则计算机控制晶闸管的导通 , 以便接加热电源给 温箱适度加热 , 如果采样温度已达到预置值 , 则计算 机促使晶闸管关断 , 加热电源停止给温箱加热 , 使温 度维持在控温值 , 从而达到了炉温调节控制作用 . 暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成 , 温度设 定范围为 0-120 , 1 ., 它可以使温 , , 缩短到达热平衡

11、的时间 . , 温度测量变换器采用铂电阻及专门 电路 , 该电路利用桥式电路结构及正反馈原理改善 了温度传感器的检测线性度 , 因此其测量精度 、 线性 度和抗干扰性都比较好 ; 同时采用数字反馈 , 还可以 利用计算机补偿技术 , 进一步提高温度检测的精度 和线性度 ; 为抵消铂电阻带来的干扰 , 采用了四线制 接法 . 相应于温度传感器的精度 , A /D及 D /A转换 都采用 12位转换器 , 分辨率为 0. 1%, 能满足精密 仪表精度要求 . 加入光电隔离器的目的是防止线路 干扰的引入 . 对于该电烤炉温度检测系统 , 数据采 样频率要求不是很高 , 为减少元件数和成本 , 简化电

12、 路结构 , 提高可靠性 , 采用多路分时采集单端输入结 构比较 合 理 . 运 算 放 大 器 采 用 的 是 测 量 放 大 器 AD521, 具有高输入阻抗 、 低失调电流 、 高共模抑制 比等特点 . 为打印机提供数据打印 , 若装有声光报 警电路 , 这可为该电路提供声光报警功能 , CRT 提 供图表 , 可实时观察各点温度数据 .4 抗干扰措施该温控系统能否稳定可靠的运行 , 关键在于抗干扰能力的强弱 . 本系统除了采用一般常用的抗干 扰措外 ,还采用了如下措施 :(1 信号采样后 , 先用 中值滤波除去尖脉冲干扰 , 然后把剩下的采样数据 进行算术平均 . (2 系统设有电源掉

13、电检测和外部 RAM 掉电保护功能 , 并有冷 、 热两种启动恢复功能 . (3 系统有硬件故障自诊断程序 , 并有上电自检 、 定 时自检 、 键控自检 3种工作方式 . 它能自动诊断指 令系统 、 片内 RAM 、 定时器 、 中断系统 、 片外 RAM /301 EPROM 及 I/O通道等故障 . (4 系统还能检查温度 超限及升温速度不符要求等故障 . 出现故障后 , 自动进行报警和自动 /手动切换 , 并打印故障源. 图 3 温控系统的硬件组成框图5 系统的仿真及调试由于系统加进了 S m ith 预估器 , 结构变得比较复杂 , 参数 整定 的结果 不是 很理想 , 因 此采用

14、的 MAT LAB 中 Si m ulink 对系统进行仿真 , 并对参数再 次进行整定 , 其仿真的的模块图如图 4:仿真的响应曲线如图 5所示 . 其温控过程指标 为 :超调量 ó%=5%, 上升时间 t =100(s , 稳态误 差 ess <0. 1. 图 4 响应曲线图 如果改变 K 、 T I 、 T d 参数 , 可获得不同的温控系统指标 , 可根据具体需要加以选择 . 借助实际参数 调整经验 , 取 K =1, T I =3s, T d =0. 5. 从系统调试及仿真结果可以看出 :P I D 算法中三个参数较小的变 化即可能引起系统超调量和精度较大的波动 .

15、由于 参数选择合理 , 得到了我们所期望的响应曲线 .6 结论本次设计的主要结论如下 :(1 带 S m ith 预估器, . (2 由 P I D 控制 抗干扰性强等优点 . (3 ±0. 1 .参考文献 :1 何立民主编 . 单片机应用文集 M.北京 :航空航天大学出版社 , 1993. 2 王常力编 . 工业控制计算机系统设计与应用 J .电子工业出版社 , 1993. 3 潘新民编 . 计算机控制技术 . 清华大学出版社 , 2000. 4 李 涛 , 贺勇军 , 刘志俭等编著 . MAT LAB 工具箱应用指南 . 电子工业出版社 , 2000. 5 Nguang S K

16、. Robust stabilisati on for a class of ti m e -de 2lay nonlinear syste m s . I n:I EE Pr oc . Contr ol Theory App li 2cati on, 1994.6 Hens on M A, Seborg D E . Ti m e delay compensati on f ornonlinear p r ocess . I nd . Eng . Chem. Res . , 1994.审稿 杨 宁 A desi gn and si m ul a ti on of stove te m pera

17、 ture ba sed on P I DXiang Dan1, 2 Yu Shouyi1(1. School of I nf or mati on Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Aut o mati on Depart m ent, Guangdong Polytechnic Nor mal University, Guangzhou 510635, China Abstract:I n this paper, ai m ing at the great pure delay characteristics of te mperature contr ol syste m , digital P I D contr oller design method with S m ith p redict or is p r oposed f or the te mperature of the electric oven . The contr ol algorith m and the contr ol s oft w are of the P I