摘   要： 針對(duì)等離子體催化劑活化裝置中溫度環(huán)境對(duì)催化劑性能的影響,提出并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用TMS320F2812為控制器,，完成了溫度控制系統(tǒng)PID算法設(shè)計(jì),，并進(jìn)行了測(cè)試。上位機(jī)通過(guò)串口通信數(shù)據(jù),，運(yùn)用Matlab對(duì)其進(jìn)行了分析,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行,，具有反應(yīng)速度快,、超調(diào)小、無(wú)靜差,、溫度控制平穩(wěn),、精度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于溫度控制精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,，采用DSP和PID算法具有較高的靈活性和可靠性,。
關(guān)鍵詞： DSP,； 溫度控制； PID算法

     在等離子體催化劑活化裝置的工作過(guò)程中,，考慮到溫度對(duì)催化劑性能的影響,，需保持爐內(nèi)溫度在0℃~300℃可控，以滿足不同催化劑的處理需求,。此裝置通過(guò)外部電壓加熱使?fàn)t內(nèi)達(dá)到一定工作溫度,，當(dāng)內(nèi)部空心陰極放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫，使得爐內(nèi)溫度發(fā)生變化,。由于溫度對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大,、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)溫度變化在最佳值(±10℃~±20℃)時(shí),，催化劑的活性和穩(wěn)定性開(kāi)始有明顯變化,。故保持爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，在工業(yè)控制中非常重要,。傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)溫控方法僅適用于對(duì)溫度影響要求不高的場(chǎng)合,；采用單片機(jī)溫控方法,可用于一般溫度控制場(chǎng)合,，但對(duì)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng),、數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。隨著微處理器的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)以其強(qiáng)大的運(yùn)算能力逐步成為控制領(lǐng)域的主流選擇,。TMS320F2812型DSP[1-2]是TI公司一款用于控制的高性能,、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP,，其處理能力強(qiáng),功能模塊多,，可滿足對(duì)信號(hào)的快速、精確和實(shí)時(shí)處理需要,。
     針對(duì)等離子體催化劑活化裝置的溫度控制要求,，本文以TMS320F2812 DSP為控制器,設(shè)計(jì)了基于PID調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng),并運(yùn)用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
    該溫度控制系統(tǒng)主要由PWM驅(qū)動(dòng)電路,、溫度采集電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP處理模塊,、數(shù)碼管顯示電路等部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示,。其中DSP采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 芯片,該芯片內(nèi)置ADC，A/D 采樣頻率設(shè)定為10 kHz,，以達(dá)到快速采樣的目的,。

    系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，溫度采集選用熱電偶通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生0~3.3 V電壓信號(hào),，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由TMS320F2812 按照PID算法進(jìn)行運(yùn)算,并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果在 PWM1引腳輸出相應(yīng)的PWM脈寬信號(hào),，通過(guò)快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來(lái)加熱爐內(nèi)電阻絲，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí),，將輸出占空比固定的PWM脈沖信號(hào),，最終達(dá)到溫度控制的目的。另外,，檢測(cè)到的溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)碼管顯示,，上位機(jī)通過(guò)串口獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用Matlab對(duì)其進(jìn)行分析,。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 PWM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    由于TMS320F2812產(chǎn)生的PWM波形高電平只有3.3 V,，其不足以使溫度采集電路(如圖2所示)中開(kāi)關(guān)管Q11（IRF730）導(dǎo)通，故采用圖騰柱結(jié)構(gòu)使其驅(qū)動(dòng)電流放大,，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓得到提高,。PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

    在圖2中,，當(dāng)TMS320F2812 DSP的PWM1引腳輸出為高電平時(shí)Q7導(dǎo)通,，Q10基極電壓比射極電壓低，故Q10導(dǎo)通;Q8的2腳為高電平,，故Q8,、Q9導(dǎo)通，且a點(diǎn)電壓達(dá)到了開(kāi)關(guān)管Q11的門(mén)限電壓,使得Q11導(dǎo)通,給電阻絲加熱,。當(dāng)TMS320F2812 DSP的PWM1引腳輸出為低電平時(shí)Q7關(guān)斷,，促使Q8、Q9,、Q10,、Q11都關(guān)斷，電路不工作,，電阻絲停止加熱,。
2.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)
    溫度采集電路[3]是溫度控制系統(tǒng)的前向通道,所以采集溫度數(shù)據(jù)的精確性決定了溫度系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)中的溫度采集使用熱電偶,，熱電偶傳來(lái)的帶有溫度信號(hào)的毫伏級(jí)電壓經(jīng)濾波,、放大后送至A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換,，將所檢測(cè)到的爐溫對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī),，并與給定的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算其偏差,。偏差值由TMS320F2812 DSP經(jīng)PID算法進(jìn)行處理,，產(chǎn)生占空比可變的PWM，通過(guò)快速調(diào)節(jié)占空比來(lái)給爐內(nèi)電阻絲加熱，維持爐內(nèi)溫度恒定,，以達(dá)到控制溫度的目的,。其電路圖如圖3所示。

    溫度傳感器選用鉑銠30-鉑銠6熱電偶,，測(cè)溫范圍為0~1 800℃,，精度小于±0.5%t。熱電偶輸出的熱電勢(shì)為十幾毫伏,，信號(hào)先經(jīng)第一級(jí)高精度運(yùn)放放大,，再經(jīng)后級(jí)運(yùn)放反向輸出。第一級(jí)運(yùn)放輸入端的鉗位二極管起保護(hù)作用,，避免了輸入線路故障的瞬態(tài)尖峰干擾損壞,。放大后的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入計(jì)算機(jī)。熱電偶冷端補(bǔ)償采用溫度傳感器LM35,其輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng),，精度高,，且其輸出電壓在A/D允許輸入電壓范圍內(nèi)。這種測(cè)量方法的冷端溫度準(zhǔn)確,，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn),。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
    在基于DSP的溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),包括:程序的初始化模塊、PID算法子程序,、PWM波形產(chǎn)生子程序,、ADC采樣及濾波子程序、數(shù)碼管顯示子程序以及串行通信子程序等,。其主程序流程圖如圖4所示,。

    系統(tǒng)各模塊初始化后，判斷是否到達(dá)采樣時(shí)間,，若采樣時(shí)間到，則對(duì)外部溫度信號(hào)進(jìn)行采樣,；由ADC采樣子程序?qū)Σ蓸有盘?hào)進(jìn)行采樣和濾波處理,，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；調(diào)顯示子程序,，由數(shù)碼管對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,；上位機(jī)與串口通信，保存采樣數(shù)據(jù),，以便用Matlab觀察數(shù)據(jù)變化走向,；同時(shí)調(diào)用PID算法子程序?qū)?jīng)濾波后的采樣信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，調(diào)PWM波形產(chǎn)生子程序,，DSP2812根據(jù)前一級(jí)運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生占空比可變的PWM波,，通過(guò)快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來(lái)控制發(fā)熱電阻絲加熱的時(shí)間長(zhǎng)短，以達(dá)到控制溫度的目的。
3.2 PID算法程序設(shè)計(jì)
    在溫度控制系統(tǒng)中, 溫度存在較大的延遲和慣性, 為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制,通常采用 PID控制[4-5],它是溫度控制系統(tǒng)的核心,。在模擬控制系統(tǒng)中,，最常用的控制規(guī)律是數(shù)字PID控制。數(shù)字PID控制方法分為增量式PID和位置式PID,。
    本控制中采用增量式PID控制算法,。增量式PID控制算法與位置式PID控制相比僅是算法上有所改變，但是它只輸出增量,，減少了DSP誤操作時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響,，而且不會(huì)產(chǎn)生積分失控。其控制算法表達(dá)式如下：
    

    圖5中r(k)為設(shè)定溫度值,，y(k)為采集到的外部溫度,。將設(shè)定值與采樣值之間的偏差e(k)作為DSP2812的輸入控制量,計(jì)算出輸出控制量Δu(k)作為PWM的脈寬變化量，通過(guò)快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來(lái)決定發(fā)熱電阻加熱的時(shí)間長(zhǎng)短,，以達(dá)到控制溫度的目的,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過(guò)PID算法的程序設(shè)計(jì)以及在TMS320F2812中運(yùn)行調(diào)試后，將檢測(cè)到的溫度信號(hào)通過(guò)串口通信傳送給PC機(jī),，并由Matlab對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析,。
    本實(shí)驗(yàn)中對(duì)無(wú)數(shù)據(jù)濾波處理和有數(shù)據(jù)濾波處理在相同PID參數(shù)下分別進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示,?？梢杂^察到，數(shù)據(jù)濾波后的尖端脈沖更少,，曲線更加平滑,，使得測(cè)量精度得到提高。

     PID參數(shù)的工程整定方法有很多,通常有經(jīng)驗(yàn)法,、衰減曲線法,、臨界比例法和響應(yīng)曲線法等。本文采用經(jīng)驗(yàn)法中的現(xiàn)場(chǎng)“試湊”法,。根據(jù)PID控制器的P,、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能(包括及時(shí)響應(yīng),、超調(diào),、過(guò)沖、振蕩等)的影響為理論依據(jù),調(diào)試時(shí)按照先比例(P),、再積分(I),、最后微分(D)的順序?qū)⒖刂破鲄?shù)逐個(gè)進(jìn)行反復(fù)的“試湊”,得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在相同溫度下,，不同的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)不同,。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和分析比較，最后確定了溫度設(shè)定值在126℃時(shí)系統(tǒng)的最佳響應(yīng)，如圖7所示,。其PID參數(shù)為P=50,，I=30，D=20,，其響應(yīng)速度快,，60 s達(dá)到穩(wěn)定值，超調(diào)量為2%,，誤差范圍為±1℃,，無(wú)過(guò)大振蕩，能長(zhǎng)時(shí)間保持平穩(wěn),。

    本文提出并設(shè)計(jì)了以TMS320F2812為控制核心,、PID 控制算法為基礎(chǔ)的等離子體催化劑活化裝置的溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行,，具有反應(yīng)速度快,、超調(diào)小、無(wú)靜差,、溫度控制平穩(wěn),、精度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于溫度控制精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,，采用DSP和PID算法能快速,、有效地實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制，具有較高的靈活性和可靠性,。
參考文獻(xiàn)
[1] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP-基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.
[2] 汪安民. DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)用子程序[M]. 北京：人民郵電出版社,2005.
[3] Gao Yanli, Liu Di, Zhang Haiying. Beer fermentation temperature control system based on DSP[C]. Electronic Measurement & Instruments, 2011 10th Interational Conference on (Volume:1) ,Chengdu, 2011（10）:274-277.
[4] HAMID N H A, KAMAL M M, YAHAYA F H. Application of PID controller in controlling refrigerator temperature[C]. Signal Processing & Its Applications(CSPA), Kuala Lumpur：2009（05）:378-384.
[5] 黃友銳, 曲立國(guó). PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.