基于PID算法的高精度温度控制系统

基于PID算法的高精度温度控制系统

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专业测试roTesting

基于PID算法的高精度温度控制系统

TemperatureTestSystemofAccurateInfraredThermalImagerBasedonPID

张宝伟（中国电子科技集团第41研究所,安徽蚌埠233006）

ZhangBao-wei(The41stresearchInstituteofCETC,AnhuiBengbu233006）

为了保证热像仪的成像精度，其温度变化有着非常严格的要求。本文阐述了系统的工作原理、硬件结摘要：

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。

PID算法；温度；微控制器关键词：

TP273中图分类号：

B文献标识码：

1003-0107(2010)08-0016-03文章编号：

Abstract:Inordertoassureprecisionofinfraredthermalimager,whichisstrictwithtemperaturechange.Wedeveloptemperaturetestsystemofinfraredthermalimagerforensureaccuracyoftemperaturechange.Thisarticleexpatiatesprincipleofsystem,hardwareandsoftwareframe.Withmeasurement,thecontrolprecisionoftestingsystemis±0.02℃whichisbetterthandesignrequestofsystem.Thesystemhasimportantapplica-tionvalue.

Keywords:PID;highprecision;micro-controllerCLCnumber:TP273

Documentcode:B

1003-0107(2010)08-0016-03ArticleID：

1前言

温度的测量与控制在国防、军事、科学实验及工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。

3系统的硬件设计

温度采集AD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－50～＋70，选用Pt100作为传感器。通过独立电源对测温电桥和AD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测试系统的精度很大程度上取决于AD转换关送给AD芯片，

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24位的CS5550AD芯片。

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AD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PWM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。

图2温度采集AD电路

PIC16F873A单片机作为系统的主控制器，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PID

算法算出相应的控制输出量，继而控制外部的加热制

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基于PID算法的高精度温度控制系统

冷半导体，从而实现对系统的温度控制。此外，单片机还负责按键处理，数值显示以及与上位机的通信等工作。该款芯片是MICROCHIP公司生产的支持RISC的高性能8位单片机，35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PWM输出，I2C和USART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，经过三极管的隔离处理，实现对外部加热制冷的方向控制。同时单片机的端口输出PWM控制信号，通过隔离放大后控制外部的PMOS管来控制外部电流，实现加热制冷的精确控制。

图3PWM

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可用一阶惯性环节加延迟环节表示，其传递函数是：

G(s)=Ke

-τs

(1)

c式(1)中，K———系统的静态增益；

Tc———系统的时间常数；τ———对象的纯滞后时间常数。

软件的控制算法采用了PID算法来实现对系统的控制。所谓PID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PID控制公式为：

uk=Kpe(k)+KiΣk

e(j)+Kd[e(k)-e(k-1)]

(2)

j=0式(2)中，uk是第k次采样的输出值；e(k)是第k次采样时刻的偏差值；e(k-1)是第k－1次采样时刻的偏差值；Ki是积分系数，Ki=KpT/Ti；Kd是微分系数，Kd=KpTd/T。由于uk是全局输出，其计算量大；并且在启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PID算法可以避免上述情况。

PID增量型计算公式为：

测试测量技术

△u(k)=Kp{[e(k)-e(k-1)]+Te(k)+Tdi

[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}(3)式(3)中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，

T为采样周期。e(k),e(k-1),e(k-2)分别为第k次、第k-1次、第k-2次的偏差值。

式(3)可简化为：△u(k)=Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)(4)

式(4)中，

A=Kp(1+T/Ti+Td/T)B=Kp(1+2Td/T)C=KpTd/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PWM方波的占空比，进而控制加热致冷功率的大小。

图4

采用增量PID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PID控制理论的认识和长期的经验总结，发现：在PID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，

Kp取大值，Ki取0；在偏差较小时，为防止系统振荡、

稳定性变差，Kp取小值，Ki取小值；在偏差很小时，为消除静态误差，克服超调，Kp取小值，Ki取稍大值。综上，采用积分分离PID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

。

下转26

页

2010第08期

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R

可靠性分析

eliabilityAnalysis

标T12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T12不宜被删除，所以在此只将指标T14与T15剔除掉，从而降低指标体借助计算机技术，并联系冗余度。利用粗糙集属性约简方法，

系实际情况，可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。

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。

3.4处理结果

通过以上数据分析处理，指标体系的权重得到了修正，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。

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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

上接17页

表1测试结果(温差设定为－3℃)

测试温度(℃)21.90设定温度(℃)24.91温度差值(℃)-3.01

22.0125.01-3.00

22.0825.07-2.99

22.1425.16-3.02

22.2525.25-3.00

22.3425.33-2.99

6总结

本文介绍的温度控制测试系统，采用了增量式PID计算公式，通过控制参数的灵活设置，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。

表2测试结果(温差设定为0.2℃)

测试温度(℃)25.66设定温度(℃)25.47温度差值(℃)

0.19

25.7125.490.21

25.8425.650.19

25.8925.680.21

26.0325.820.21

26.1125.900.21

参考文献：

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表3测试结果(温差设定为4℃)

测试温度(℃)25.66设定温度(℃)21.65温度差值(℃)

4.01

25.7121.714.00

25.8421.844.00

25.8921.884.01

26.0322.053.98

26.1122.114.00

从表1、2、3中可以看出，系统的显示温控精度达到了±0.02℃，实际温度控制精度在0.1℃，达到了系统的要求。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nmy4.html