1 引言
處在溫差條件下的礦物，對(duì)外表現(xiàn)為溫差熱電勢(shì)E,，溫差一定時(shí),，E達(dá)到一平衡值。E除以溫差得到的就是礦物的熱電系數(shù),，它能夠靈敏的反映礦物成分和晶體結(jié)構(gòu)的某些細(xì)微差異,，在金礦找礦和礦床評(píng)價(jià)方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值,。用來測(cè)量礦物熱電性的熱電系數(shù)測(cè)量?jī)x（熱電儀），在市場(chǎng)上并沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品,，需要根據(jù)需求自行開發(fā),。其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是將溫度精確控制在設(shè)定值，為半導(dǎo)體礦物創(chuàng)造恒定的溫差條件,。本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)就是來解決這一問題,。
溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制，與其它控制系統(tǒng)相比,，溫度控制系統(tǒng)有其特殊性[1],。例如，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)電系統(tǒng),，用線性定常集中參數(shù)的動(dòng)力學(xué)微分方程來描述,，通常不會(huì)帶來過大的誤差。然而用同樣的方法來處理溫度過程顯然不能令人滿意,，因?yàn)闊崮艿膫鬟f是以場(chǎng)的方式進(jìn)行的,，所以它具有明顯的非線性、時(shí)變性,、分布性以及時(shí)間滯后,。若用解析的方法為它建模，其結(jié)果不是過于復(fù)雜,，就是在模型簡(jiǎn)化過程中,，失去某些最本質(zhì)的因素，使模型和對(duì)象間產(chǎn)生過大的偏差,。因此,，對(duì)溫度系統(tǒng)的建模，通常用經(jīng)驗(yàn)建模,，或經(jīng)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的建模。
本文介紹的溫度控制系統(tǒng),，通過改進(jìn)的PID控制算法,，結(jié)合硬件ARM7內(nèi)核的S3C44B0微處理器，由傳感器PT100獲取溫度信號(hào),，通過自整定獲取最適合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制參數(shù),，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需溫度的精確控制。系統(tǒng)包括電加熱器,、控制器和溫度傳感器及變換器三部分,，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。這種主動(dòng)熱控制的特點(diǎn)在于可適時(shí)調(diào)節(jié)被控對(duì)象的熱傳遞效率,，對(duì)外部變化反應(yīng)靈敏,，溫度調(diào)節(jié)精度高,。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
該溫度控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定溫度的實(shí)時(shí)控制，操作人員可以通過鍵盤設(shè)定目標(biāo)控制溫度,，通過單片機(jī)的邏輯程序控制,，實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的組成主要分為三部分,，即三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X單片機(jī)所構(gòu)成的單片機(jī)控制系統(tǒng),；由Pt100熱電阻、溫度補(bǔ)償,，運(yùn)算放大電路構(gòu)成的溫度檢測(cè)通道,；由三極管運(yùn)放電路、固態(tài)繼電器和外部加熱器構(gòu)成的輸出控制通道,。其中,，單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算,、處理和交換功能都是利用單片機(jī)的軟件來實(shí)現(xiàn),。
工作時(shí)，設(shè)定溫度由操作人員通過鍵盤完成,，并通過LCD顯示設(shè)定溫度值,；由Pt100熱電阻檢測(cè)控制對(duì)象實(shí)際溫度值，經(jīng)過RWB溫度變送器和放大電路,，將溫度信號(hào)送入S3C44B0的A/D端口,，經(jīng)過固定公式換算得出實(shí)際溫度并實(shí)時(shí)顯示。程序控制系統(tǒng)將實(shí)際溫度值與系統(tǒng)設(shè)定溫度值進(jìn)行比較,，按照自整定PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算,，確定下一時(shí)間單元輸出PWM信號(hào)占空比，以控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間,，從而控制外部加熱器的平均輸出功率,，實(shí)現(xiàn)溫度控制。圖1是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,。
圖1 溫控系統(tǒng)原理圖
圖2 控制系統(tǒng)電源電路
2.2 S3C44B0X片上資源 [2]
S3C44B0X是SAMSUNG公司出品的一款基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC結(jié)構(gòu)的CPU,，是一款高性價(jià)比微處理器。其豐富的片上資源充分保證了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：2.5V供電的ARM7TDMI內(nèi)核上增加8kB的Cache,；外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器（FP/EDO/SDRAM控制,，片選邏輯）；LCD控制器（最大支持256色的DSTN）并帶有一個(gè)LCD專用DMA通道,； 2個(gè)帶有握手協(xié)議的UART,，1個(gè)SIO； 5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器,；看門狗定時(shí)器,；71個(gè)通用可編程I/O口,，8個(gè)外部中斷源；多種功耗控制模式,；8路10 位ADC,； PLL時(shí)鐘發(fā)生器等。
2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為五部分,，即電源電路部分,、鍵盤電路部分、檢測(cè)電路部分,、控制及顯示電路部分以及輸出控制,。系統(tǒng)需要三種不同電壓，分別是外圍的5.0V,、ARM內(nèi)核2.5V以及I/O3.3V[3],，由交流220V轉(zhuǎn)直流7.5V變壓器供電，設(shè)計(jì)電源電路如圖2所示,。
鍵盤電路完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能參數(shù)的設(shè)置,，包括設(shè)定溫度值、儀器的工作模式,、儀表基本參數(shù)如初始PID參數(shù)等,。鍵盤響應(yīng)電路只有當(dāng)檢測(cè)到管腳電平到達(dá)或者低于一個(gè)電平數(shù)值的時(shí)候才認(rèn)同是有鍵被按下，并通過延時(shí)處理程序,，即當(dāng)程序通過施密特觸發(fā)檢測(cè)到有按鍵落下后仍要經(jīng)過一個(gè)延時(shí)再進(jìn)行判斷,，只有確定仍然處于按下狀態(tài)時(shí)才認(rèn)定按鍵落下，進(jìn)而跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的按鍵處理程序,，并在處理程序中判斷按鍵是否彈起,，保證了每一次按鍵的有效性和準(zhǔn)確性。S3C44B0自帶8路10位A/D,，所以省去了A/D轉(zhuǎn)化電路,，可以直接讀取放大后的信號(hào)并通過固定公式計(jì)算出實(shí)際溫度值，將此溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較,，經(jīng)過PID運(yùn)算,，調(diào)整CPU通過I/O口PE5(PE3~PE7可任選其一)所輸出PWM脈沖信號(hào)的占空比，從而改變固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間,，由此控制電熱絲的導(dǎo)通比率，從而控制加熱器的輸出功率,，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié),、控制。
系統(tǒng)的顯示采用LCD,，用來顯示溫度值,、工作模式,、及礦物熱電系數(shù)讀數(shù)等。設(shè)計(jì)液晶顯示器和控制電路時(shí),，必須提供電源驅(qū)動(dòng),、偏壓驅(qū)動(dòng)以及LCD顯示控制器。由于S3C44B0X本身自帶LCD控制器,，所以控制電路的設(shè)計(jì)可以省去顯示控制電路,，只需進(jìn)行電源驅(qū)動(dòng)和偏壓驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用的液晶屏為GPG1624UWE1單色16級(jí)灰度的2.7寸液晶屏,，與S3C44B0X采用4位單掃描方式連接,。此液晶屏的驅(qū)動(dòng)電源是22.6V，這里采用MC34063A電源管理模塊,，通過R8調(diào)節(jié)將5V的電壓升至22.6V以提供液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)電源,，如圖3所示；偏壓電源由系統(tǒng)升壓后的電源分壓得到,，LM324用來穩(wěn)定電壓,、增強(qiáng)帶載能力，如圖4所示,。
關(guān)鍵字：ARM,；溫度控制；PID,；自整定" title="ARM,；溫度控制；PID,；自整定">ARM,；溫度控制；PID,；自整定
圖4 LCD偏壓電源電路
3 PID自整定算法原理和實(shí)現(xiàn)
3.1 PID控制器
PID 控制器是一種比例,、積分、微分并聯(lián)負(fù)反饋控制器,，是一種線性控制器,，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值 y(t) 的差值構(gòu)成控制偏差 e(t)?！?
PID 的控制規(guī)律為:
(1)
式中: 
—比例系數(shù),；TI —積分時(shí)間常數(shù),；TD —微分時(shí)間常數(shù)。
3.2 歸一參數(shù)整定法
在微處理器S3C44B0為硬件核心的控制系統(tǒng)中,，選擇合適的采樣周期,，對(duì)輸入輸出采樣，得到離散時(shí)間控制系統(tǒng),。在離散時(shí)間控制系統(tǒng)中,，PID 控制器用差分方程表示為：
(2)
式中：T 為采樣周期，
,，
,。u(k)與u(k-1)相減得增量式 PID 控制算法的輸出增量為：
(3)
(3) 式又可寫為： 
(4)
根據(jù) Ziegler-Nichle 條件[3],，令 ,。
式中: Tk 為臨界振蕩周期,。代入（4）可得： 
(5)
這就是擴(kuò)充臨界比例整定法（歸一參數(shù)整定法）只需整定一個(gè)參數(shù)，適合于計(jì)算機(jī)自整定,。
3.3 整定準(zhǔn)則和方法
該方法采用時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分準(zhǔn)則（ITAE 準(zhǔn)則）：ITAE = 
(6)
當(dāng)ITAE取最小值時(shí),，控制系統(tǒng)為最佳狀態(tài)。它具有對(duì)單位階躍響應(yīng)的初始誤差考慮少,，著重權(quán)衡瞬態(tài)響應(yīng)后期出現(xiàn)的誤差,，因此要尋求其最小值。計(jì)算ITAE最小值可等效于求ITAE*最小值： ITAE* = 
(7)
每次計(jì)算 的值,，與上次得到的 比較,，根據(jù) 的變化趨勢(shì)對(duì) PID 算式中的參數(shù)KP進(jìn)行修正，N可取5～10,，每隔N個(gè)采樣周期按修正公式對(duì)KP進(jìn)行一次修正,。
4結(jié)論
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：此溫度控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間；環(huán)境溫度對(duì)穩(wěn)定過程有輕微的影響,，但對(duì)精度幾乎沒有影響,；而參數(shù)N(每N個(gè)周期修正一次KP)的選取，對(duì)精度具有決定性的作用,。熱電儀的使用特性決定了最常用的溫度是50℃左右,，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)選擇控制溫度為45℃時(shí)，經(jīng)過約12min系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,，其中當(dāng)N取12時(shí),，穩(wěn)定后溫度偏差達(dá)到±2℃，當(dāng)N取5時(shí),，溫度偏差為±0.3℃,，相對(duì)誤差0.7％達(dá)到了較高的控制精度，完全符合熱電儀溫度控制系統(tǒng)的要求。在一定范圍內(nèi),，隨著N取值的減小，控制精度在提高,。經(jīng)過調(diào)試,，在熱電儀的實(shí)際應(yīng)用中N取5。
本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)通過合理地搭建于ARM嵌入式平臺(tái),，采用PID自整定算法,，與常規(guī)PID控制算法比較，使被控對(duì)象的溫度波動(dòng)大幅度減小,，具有響應(yīng)時(shí)間短,、超調(diào)量小、控制精度高,、穩(wěn)定性好,、智能化等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行軟硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上,，應(yīng)用于熱電系數(shù)測(cè)量?jī)x中,，經(jīng)測(cè)試，此控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，滿足了系統(tǒng)溫度控制精度要求,，具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在軟硬件實(shí)現(xiàn)并滿足需求的基礎(chǔ)上給出了詳細(xì)的理論依據(jù),，理論和實(shí)際應(yīng)用達(dá)到了很好的結(jié)合,，為同類系統(tǒng)的升級(jí)、改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ),。
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