1 引言

温度控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节, 能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性, 导致采用的温控手段的多样性。例如: 某种半导体激光器对工作温度的稳定性有较高的要求, 一般要将温度控制在±0.1℃左右, 才能保证器件输出的激光波长不发生超出要求的漂移, 否则,激光波长的超范围漂移将使研究工作难以开展。为达到这种温控要求, 笔者根据工作中的情况, 采用PID 控制原理研制成适合用于小功率半导体器件的温度控制器。该控制器能够达到很好的控制效果, 若精心选择PID 的各种参数, 温度控制的精度可以达到±0.05℃, 完全可以保证器件的正常工作。

2 温度控制原理

在上述温控实例中, 器件工作时产生的热量将使器件本身工作温度升高, 最后达到很高的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响器件的各种性能参数, 也很可能导致器件不能正常工作, 甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上, 这样一来就要求根据器件工作时的实际情况(如产热量大小等) 采取一定的措施,随时将产生的热量即时散掉, 并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时间里吸收的热量, 若两者达到动态平衡, 则可以保持器件工作温度的稳定[1]。

在一定的控制系统中, 首先将需要控制的被测参数(如温度) 由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较, 把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值, 将控制量送给控制系统进行相应的控制, 不停地进行上述工作, 从而达到自动调节的目的。当控制对象的精确数学模型难以建立时, 比较成熟且广泛使用的控制方法是采用按差值信号的比例、积分和微分进行计算控制量的方法, 即PID 法, 其控制规律的数学模型为:

其中: K P 为比例系数; e 为差值信号, e= T - Tset (T : 温度测量值, Tset: 温度设定值) ; Ti 为积分常数; Td 为微分常数; V0、V0-1为当时及前一时刻的控制量。

实现PID 控制原理的具体方法因系统的不同而不同[2]。在我们的系统中, 采用了增量式计算方法, 而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中, 其控制规律的数学模型演化为:

其中: T 为采集周期; ei、ei-1、ei-2为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。

这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号, 同时输出控制量的初始设定值不必准确, 就能较快地进入稳定控制过程。

3 电路工作原理

图1 表示了本控制器的电原理图。

图1控制器原理图

程序启动后, 首先进行PID 参数初始化, 最主要的是对Kp、Ti、Td、T 的初始化, 然后进入控制循环体。首先是采集温度值, 按上述的PID 控制规律及压控电流源的控制特性计算热电偶冷却器的工作电流I0 的大小及极性, 然后输出到D/A 转换器, 由其产生VCCS 的输入控制电压V0。程序延迟0.3～0.5s 后, 重复上述过程, 不断根据最新测到的温度计算最近的控制量。这样多次重复后,就可以达到稳定控制温度的目的。图2 给出了程序流程框图。

4 PID 参数的选择

如前所述, PID 的主要参数是KP、Ti 及Td。其选择方法是: 首先根据控制系统的特性确定K p 的极性。在本文中, 其极性应为负, 而不是文献[2]中所要求的正极性; 并且实验发现, 本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统, 但Kp 不能选择过大, 否则将不稳定。其次, Ti 及Td 的选择相对而言就不是很严格了, 可根据设计者的要求(如希望积分作用明显还是微分作用明显) 而定。关于采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定, 一般可选择比系统响应稍快些即可, 选择过小的采样周期反而不好。本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期, 约0.3～ 0.5s。PID 参数的选择不是唯一的, 但一定要选择好关键参数。在本文中则应仔细选择Kp ,然后再选择其它参数。只要一组PID 参数能够较好地用于控制系统, 并且控制效果也是较好的, 则说明这样一组参数是合适的。

本文中的PID 参数选择如下: Kp =- 1.0, Ti= 2, Td= 1.5, T = 0.3, 这样的一组PID 参数可以达到良好的控制效果。

5 实验结果

为了验证控制器的工作情况, 我们设计了一种模拟实验条件, 电路如图3 所示。通过改变R2 的阻值, 便可相应地改变稳压器LM 317 消耗的功率, 也即其自身的温度会相应地改变。在环境温度为24℃时, 当不进行控制时其温度可以达到约70℃; 后采用本控制器对其进行温度控制, 测得的结果如图4(a)、(b) 所示(图中横坐标为采样时间序列,每点对应约0.4 秒) , 可见精度达到了±0.05℃, 控制效果是很好的。

6 结束语

PID 控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度, 最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。

要使用好PID 控制原理, 关键在于根据实际情况确定PID 的各种参数, 这项工作可能是费时的, 但做好了, 将会提高控制器的使用效果, 达到较高的控制精度, 是值得的。