溫度自動(dòng)控制系統設計

摘要：基于MSP430系統平臺，利用PID控制算法搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統。系統包括溫度采集、PID算法功率控制、人機交互等模塊。系統采用數字式溫度傳感器精確測量溫度值，430單片機用來(lái)實(shí)現PID算法及溫度設定與顯示等；雙向可控硅光電耦合器用于調節功率。能實(shí)時(shí)監測溫度值，測量溫度范圍廣、分辨率高，調節溫度迅速，控制溫度實(shí)時(shí)精準、波動(dòng)小，溫度值顯示準確穩定。
關(guān)鍵詞：數字溫度傳感器；PID算法；雙向可控硅；光電耦合器；人機交互

調溫設備如冰箱、冰柜、空調已廣泛地走進(jìn)大眾家庭，這些設備帶給了人們更多的舒適，人們也越來(lái)越依賴(lài)它們。為此，我們小組搭建了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統，模擬調溫設備在日常生活中的運作，深入探討其工作原理及可優(yōu)化潛力。

1 系統組成
本系統以MSP430系統板為控制核心，包括溫度采集、PID算法功率控制、調溫、人機交互等模塊。其采用數字式溫度傳感器DS18B20作為溫度采樣元件，在通用定時(shí)器B周期中斷的控制下，低功耗單片機MSP430F449通過(guò)其通用I／O口從DS18B20讀取采樣值，再通過(guò)PID控制算法計算出控制量去控制主電路的電流方向和PWM波的輸出。電流方向決定對控溫對象進(jìn)行加熱或制冷，輸出的PWM波驅動(dòng)功率MOSFET IRF540，從而達到控制熱電模塊加熱或制冷的功率的目的，系統組成框圖如圖1所示。

2 MSP430F449簡(jiǎn)介
MSP430F449是TI公司推出的16位超低功耗混合信號處理器，同時(shí)集成數字和模擬電路。其具有特點(diǎn)：16位CPU通過(guò)總線(xiàn)連接到存儲器和外圍模塊；直接嵌入仿真處理，具有JTAG接口；多時(shí)鐘能夠降低功耗，多總線(xiàn)能夠降低噪聲；16位數據寬度，數據處理更有效。它的集成調試環(huán)境Embedded Workbench提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺。
MSP430F449的定時(shí)器A和定時(shí)器B都可以實(shí)現PWM：當定時(shí)器工作在PWM波產(chǎn)生模式，就可以利用寄存器CCR0控制PWM波形的周期，用另外寄存器控制占空比，生成PWM波方便。并且片內集成段式液晶驅動(dòng)模塊，便于顯示溫度值。
3 PID控制算法原理
3．1 PID控制系統筒介
PID控制系統如圖2所示，D(s)完成PID控制規律，稱(chēng)為PID控制器。PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線(xiàn)性組合構成控制量u(t)，稱(chēng)為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differ-entiation)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。

PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這3種基本控制規律，通過(guò)改變調節器參數來(lái)實(shí)現控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：

實(shí)際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例(P)控制器、比例+積分(PI)控制器、比例+積分+微分(PID)控制器3種不同控制組合。
3．2 PID參數控制效果分析
PID控制的3基本參數為KP、KI、KD，這3項參數的實(shí)際控制作用為：
比例碉節參數(KP) 按比例反映系統的偏差。增大KP，系統的反應變靈敏、速度加快、穩態(tài)誤差減小，但振蕩次數也會(huì )加多、調節時(shí)間加長(cháng)。在該反饋環(huán)中，該值主要影響速度。
積分調節參數(KI) 消除系統靜態(tài)(穩態(tài))誤差，提高系統的控制精度。積分調節會(huì )使系統的穩定性下降，動(dòng)態(tài)響應變慢，超調加大。積分控制一般不單獨作用，而是與P或者PD結合作用。
微分調節參數(KD) 反映系統偏差信號的變化率，可以預見(jiàn)偏差的變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用。因此，微分控制可以提高系統的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，減小超調量，但對噪聲干擾有放大作用。過(guò)強的微分調節會(huì )使系統劇烈震蕩，對抗干擾不利。
常規的PID控制系統中，減少超調和提高控制精度難以?xún)扇涿?。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強積分作用時(shí)又難以避免超調，這也是常規PID控制中經(jīng)常遇到的難題。所以在該系統中，對積分參數做了分段處理，已達到理想的效果。