采用STM32的遠程溫控系統設計

溫度控制是工業(yè)控制的主要對象之一，常用的溫控數學(xué)模型是一階慣性加上純滯后環(huán)節，但其隨著(zhù)加熱對象和環(huán)境條件的不同，會(huì )存在著(zhù)較大的差異。因為溫控對象這種較為普遍的含有純滯后環(huán)節的特點(diǎn)，容易引起系統超調和持續的振蕩，溫度控制對象的參數會(huì )發(fā)生幅度較大的變化。因此無(wú)法采用傳統的控制方法(如常規的PID控制)對溫度進(jìn)行有效的控制，而智能控制不需要對象的精確數學(xué)模型就可以對系統實(shí)施控制[1]。溫度控制多采用由單片機系統來(lái)實(shí)現溫度控制，其缺點(diǎn)是遠程控制系統復雜，可靠性差，特別是當控制點(diǎn)較多、距離較遠時(shí)，采取總線(xiàn)方式的通訊出錯概率較高，影響到溫度的控制精度[2]。

　　目前，多家廠(chǎng)商(如日本導電、島通)均推出精度可達0.1級的基于PID算法的智能型溫控儀表，然而這些公司對其核心技術(shù)并不公開(kāi)，同時(shí)也不開(kāi)放用于系統改進(jìn)的接口或者代碼。本文的設計基于STM32硬件單元，采用一種溫控單元與計算機相結合的主從式遠程溫度控制模式。利用工控機進(jìn)行PID參數整定后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制溫控單元的輸出，溫控單元輸出控制信號調整可控硅的開(kāi)角，從而達到改變加熱功率的目的。本文采用儀表與計算機相結合的主從控制模式，軟、硬件部分分別獨立工作，便于系統的升級改造，可以有效地提高控制策略的靈活性。

　　本文所研究的基于組態(tài)軟件實(shí)現的模糊PID算法智能溫度遠程監控系統，能較好地解決溫度的遠程控制問(wèn)題，且系統結構非常簡(jiǎn)單，溫度控制精度高。

　　系統總體方案設計

　　溫度控制系統用于控制電加熱爐內的溫度，熱源為高溫電阻絲，采用可控硅電壓調整器來(lái)進(jìn)行電加熱爐的溫度調整，此調整器是通過(guò)控制可控硅的導通角而調整輸出電壓、改變加熱體的發(fā)熱功率、從而達到控制電加熱爐溫度的目的。

　　如圖1所示，加熱爐實(shí)時(shí)的溫度由溫控單元采集熱電偶轉變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)溫控單元整理后，通過(guò)TCP/IP協(xié)議將打包后的溫度數據傳送至工控機端，將此溫度的采樣值與設定值比較，采取相應的控制算法計算出實(shí)時(shí)的PID參數，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制溫控單元，溫控單元輸出4~20mA電流信號至可控硅調壓器，對可控硅的導通角的開(kāi)度進(jìn)行控制，調整加熱爐的溫度。采用本方案設計的系統具有結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現的特點(diǎn)。

　　溫控單元設計方案

　　溫控單元實(shí)現的功能包括溫度信號的模擬量數據采集、控制調壓器可控硅開(kāi)角的模擬信號輸出、控制信號的I/O輸出，以及溫控單元與工控機之間的數據傳輸等。

　　STM32系列32位閃存微控制器使用ARM公司的Cortex-M3內核，處理器的核心是基于哈佛架構的3級流水線(xiàn)內核，該內核集成了分支預測，單周期乘法，硬件除法等眾多功能強大的特性[3]，目前已經(jīng)獲得了廣泛的應用。

　　溫控單元選用的處理器是STM32的增強型系列處理器—STM32F103。該處理器頻率為72MHz，帶有片內RAM和USB 2.0接口、16通道的12位A/D轉換器、2通道的12位D/A轉換器、以及I/O通道等豐富的外設。其中系統集成的雙ADC結構允許雙通道采樣/保持，以實(shí)現12位精度、1μs的轉化。處理器的雙ADC結構為2個(gè)工作在非連續模式的獨立的時(shí)序控制，具有多個(gè)觸發(fā)源，每個(gè)通道的采樣時(shí)間均可編程。

　　本文設計的系統采用獨立于微控制器(MCU)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )接口芯片來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )芯片選擇W5100，微處理器與網(wǎng)絡(luò )芯片通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接。溫控單元硬件組成如圖2所示。

　　控制策略的選擇

　　電加熱爐是一個(gè)復雜的受控對象，具有多參數、非線(xiàn)性、時(shí)變性、純滯后、多干擾等特點(diǎn)，對其進(jìn)行精確的數學(xué)建模非常困難。模糊控制系統是一種自動(dòng)控制系統，它是以模糊數學(xué)、模糊語(yǔ)言形式以及模糊邏輯理論為基礎，采用計算機控制技術(shù)構成的一種具有閉環(huán)結構的數字控制系統。模糊控制不需要被控對象的精確數學(xué)模型，并且可以引入專(zhuān)家經(jīng)驗，可以較好地解決此類(lèi)溫度控制問(wèn)題。但由于單獨使用模糊控制不易消除穩態(tài)誤差，且對控制器運算性能要求較高，而PID算法簡(jiǎn)單又可以較好地消除穩態(tài)誤差，實(shí)際運行效果和理論分析表明，這種控制規律在相當多的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能得到比較滿(mǎn)意的結果[4]。

PID控制器是通過(guò)對誤差信號()et進(jìn)行比例、積分和微分運算，其結果的加權，得到控制器的輸出()ut，該值就是控制對象的控制值。PID控制器的數學(xué)描述為：