基于模糊PID的高精度温度控制系统

基于模糊PID的高精度温度控制系统

张宝峰; 张燿; 朱均超; 豆梓文; 符烨

【期刊名称】《《传感技术学报》》

【年(卷),期】2019(032)009

【总页数】5页(P1425-1429)

【关键词】温度控制; 模糊PID; 半导体制冷器; 闭环控制

【作 者】张宝峰; 张燿; 朱均超; 豆梓文; 符烨

【作者单位】天津理工大学光电器件与通信技术教育部工程研究中心 天津300384; 天津理工大学电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室 天津300384

【正文语种】中 文

【中图分类】TP393

温度的测量是工业生产中一个重要指标,其精度严重影响产品质量、生产工艺和生产安全,需要定期对温度传感器进行计量和校准,以保证温度测量的精度[1]。但在某些特定场合,如工业生产线或者石油钻井平台,温度传感器难以拆卸下来进行校准,需要现场进行标定。因此,设计一款用于现场校准温度传感器的便携式温度控制系统具有非常重要的现实意义[2]。

目前便携式的高精度温度控制系统大多使用半导体制冷器(Thermo Electric

Cooler,TEC)来作为控制对象,来间接稳定被控物体的温度[3]。其中,美国Fluke(福禄克)公司研制的高精度干式计量炉的控温性能处于世界领先地位[4]。国内也有一些厂家在研究生产便携式的温度控制系统,但控温精度一般在0.01 ℃左右,整定速度不够快,控温效果还不够理想[5]。

本文利用模糊PID算法展开高精度大范围温度方法研究,在获得高精度稳定度的同时,提高整定速度;采用高精度铂电阻温度传感器和大功率TEC驱动电路相结合,设计并制作了一套基于模糊PID的高精度温度控制系统。

1 温度控制原理

1.1 TEC的工作原理

半导体制冷器是一种根据帕尔贴效应工作的电流型工作器件[6]。其内部是由P型半导体和N型半导体组成的热电偶对[7]。当有电流流过回路时,半导体内部会相应的吸收和放出热量来改变自身的势能,从而在半导体制冷器的两端形成冷端和热端,当电流方向改变时,其冷热两端也会发生互换[8]。

图1为TEC的结构示意图。A为冷端,B为热端,U为加载在TEC两端的电压,I为电路中电流。同其他功率器件相比,TEC具有体积小、升降温快、操作方便和控制效果明显等优点。故本系统采用TEC作为功率元件。

图1 TEC结构示意图

1.2 模糊PID

温控系统通常是时变、非线性、具有纯滞后的复杂大惯性系统,多采用PID控制算法对其进行控制[9],但传统PID方法无法满足高精度温度控制系统的控制要求,为了让PID参数能够自动适应不同温度段的控制要求,获得更精准的控温效果[10],本文利用模糊控制的方式对传统的PID算法进行改进,设计出了一套PID参数自整定算法。图2是本系统的模糊PID控制结构图。

图2 模糊PID控制结构图

本系统的模糊控制器是将被控物体的温度偏差e及其偏差变化率ec作为模糊控制器的输入,然后通过模糊规则库对模糊输入量经过模糊推理,最后得到PID控制器的三个修正量 Kp、Ki、Kd[11]。

在对温度控制系统进行综合分析后,得出温度偏差e的论域为[-6,6],温度偏差变化率ec的论域为[-1,1],针对温度偏差及其变化率和控制量变化之间的变化关系,均采用为“负大(NB)”、“负中(NM)”、“负小(NS)”、“零(ZO)”、“正小(PS)”、“正中(PM)”和“正大(PB)”7 个模糊子集,各变量的隶属度函数为三角函数。如图3所示。

图3 隶属度函数

根据温度偏差和偏差变化率综合确定的模糊规则:先由PID控制原理制定相应的模糊规则,并计算每条控制规则的模糊关系,再通过推理和解模糊化处理,得到ΔKp的模糊控制表,如表1所示,同理得到ΔKi, ΔKd的模糊控制表。最后将三张模糊控制表存入单片机中,通过PID参数的整定算式计算后最终得到PID控制量,从而实现实时自动的温度控制[12]。

表1 ΔKp模糊控制表eecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNBPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNBNBNB

1.3 温度控制模型

由上文分析可知,TEC具有变工况特性,在不同温差下,加相同的电压,输出电流是不同的,这将严重影响温控系统的精度和控制范围[13]。为了消除这部分影响,把被控温度和TEC的自身电气特性变化都纳入了控制环节,建立了温度-电流双闭环控制模型。温度-电流双闭环控制模型如图4所示。

在上述双闭环控制环节中,内环是电流反馈环节,因其反应速度快,系统惯性小,故采用PI控制。外环是温度反馈环节,需要对温度进行实时的调节,故采用PID控制[14]。 图4 温度-电流双闭环控制模型

2 系统总体设计

2.1 系统总体结构

采用STM32F103单片机作为处理器,利用4只大功率MOS管搭建H桥驱动电路;使用霍尔传感器测量TEC实际电流信号。选用A级铂电阻PT1000作为温度传感器,将采集到的电压信号送入24位的A/D中进行数模转换。通过人机交互界面(HMI)输入目标温度值。系统结构图如图5所示。

图5 系统结构图

图6 测温电路

2.2 硬件部分设计

2.2.1 温度采集模块

本系统选用温度系数大、灵敏度高、适用于动态测量的铂电阻Pt1000作为温度传感器。将铂电阻接入,和3个千分之一的1 kΩ电阻组成桥式测量电路,来提高系统的测温精度,再通过PT1000两端电压的变化,测量其电阻变化,经过ADS1110转换为数字信号,计算出温度值。图6为测温电路。

2.2.2 TEC驱动模块

根据TEC的工作原理可知,TEC驱动电路需要能够提供具有一定驱动能力并且方向大小可调的电流信号。H桥驱动电路是一种经典的驱动电路,所以本系统选择H桥驱动电路作为TEC的驱动电路。选用全桥驱动芯片HIP4082和4只大功率MOS管来搭建TEC驱动电路,TEC驱动电路结构图如图7所示。

图7 TEC驱动电路原理图

2.3 软件部分设计

2.3.1 模糊控制器设计

本系统是将采集到的被控物体的温度偏差e及其偏差变化率ec作为模糊控制器的输入,映射到模糊子集里;然后通过查询模糊控制规则库推理得到相应的模糊规则,再对其去模糊化得到ΔKp,ΔKi,ΔKd;乘以一个比例因子得到最终的修正参数Kp、Ki、Kd;再通过单片机产生相应的PWM波,最终驱动TEC工作。图8为模糊PID工作流程图。

图8 模糊PID工作流程

2.3.2 上位机软件设计

基于嵌入式WinCE触摸屏结合多线程的技术设计了人机交互软件。系统主要包括两个工作线程,一个为主工作线程,负责人机交互;另一个为通讯线程,负责通过串口同下位机进行信息交互,把工作参数发送到下位机,同时读取下位机的当前温度和工作状态,显示在触摸屏上。主工作线程将实时采集到的温度信号显示在触摸屏上,同时将设定的参数信息发送到下位机进行相应的控制,从而实现人机交互。主线程的工作流程图如图9所示。

图9 主线程工作流程图

系统上电工作,进行初始化,并把控制权交给上位机。系统主线程启动,首先读取系统配置参数并对人机交互界面进行初始化,随后创建串口接收线程,串口接收线程创建完成后,打开串口接收温度传感器传来的温度信号。串口接收线程与主线程之间采用互斥体的方式进行线程同步。多线程之间配合工作,使系统资源得到更为高效的利用,提高了系统工作效率。

3 温控实验及结果分析

结合温度采集模块、TEC驱动电路、人机交互触摸屏,加之机械装配和规范化布线最终设计并完成的高精度的温度控制系统,实物图如图10所示。

图10 系统实物图

3.1 控温稳定度实验

为了验证本温度控制系统的控温稳定度,在-20 ℃～120 ℃的温度之间对系统的控温性能进行了实验。实验之前,利用福禄克高精度恒温水槽7008与标准温度计5699对实验中所用的温度传感器进行标定,恒温水槽7008与标准温度计5699的精度均为0.001 ℃,因此标定后温控系统精度可达±0.003 ℃。

实验在室内温度(25.1 ℃)环境下进行,将恒温插块作为被控对象,恒温插块选用的是具有较好热传导能力和自身温度稳定性的铝块。先将系统温度从室温调到-20 ℃,然后以每20 ℃为一个控温点,进行升温实验,直到系统达到最高可控温度值120 ℃。表2 为各控温节点的长时间温度控制实验数据表,每个设定温度的控温时长均为稳定后的2 h。T1为设定温度,T2为在系统稳定后2 h内实际测得恒温插块的温度变化范围值,δ为每个设定温度下的温度浮动范围。由表2可见:在2 h的控温时间内,各个控温节点温度波动范围最大为0.004 0 ℃,最小为0.002 1 ℃,温度波动在预期范围内,系统控温稳定。

表2 控温稳定度实验数据表设定温度T1/℃实测温度T2/℃温度浮动范围δ/℃-20-19.998 3～-20.001 90.003 60-0.998 5～0.001 70.003 22019.999 0～20.001 10.002 14039.998 9～40.001 10.002 26059.998 7～60.001 70.003

08079.998 0～80.000 80.002 810099.998 0～100.001 50.003 5120119.997

9～120.001 90.004 0

3.2 模糊PID实验

为了验证模糊PID的控制效果,进行了针对实验,具体实验方法如下:在室温环境(25 ℃)下,分别在有无模糊PID的情况下,恒温插块作为被控对象,将系统调至-20 ℃和120 ℃进行实验。首先将系统使用传统PID调至120 ℃,待系统稳定,得到控温曲线,随后在模糊PID的情况下重复上述操作,得到控温曲线如图11所示。

图11 120 ℃控温曲线

待系统重新稳定在室温以后,按上述操作将系统分别调至-20 ℃,得到控温曲线如图12所示,其中横轴是时间(单位0.1 s),纵轴是温度(单位 ℃),图中所示曲线即为实际采集恒温插块的温度变化曲线。

图12 -20 ℃控温曲线

从图12的控温曲线可知,在传统PID调节情况下,设定系统温度为120 ℃后,经220

s左右的温度调节系统收敛稳定至120 ℃,但在模糊PID控制下,系统经180 s左右的调节后系统稳定在120 ℃。同理,设定系统温度为-20 ℃,传统PID经300 s左右的温度调节系统收敛稳定至-20 ℃,而模糊PID控制下,系统经250 s左右就逐渐稳定。实验表明,系统在模糊PID控制环节的情况下,控温收敛速度更快,系统能在较短时间内稳定在设定温度,控温性能良好。

4 结论

针对工业生产领域对温度传感器现场标定的需求,本文研究了在较大的温度控制范围内,PID参数能够自动适应不同温度段的控制要求,引入了模糊PID算法。结合温度检测电路、大功率TEC驱动电路和人机交互触摸屏设计并完成了便携式高精度温度控制系统的研制。实验表明,本系统在-20 ℃～120 ℃的温度范围内控温精度优于±0.005 ℃,动态响应速度快,控温时间长,携带方便,可以满足大多数现场温度标定场合对于温度控制的要求。