摘要：温度的控制在科学实验和工业过程中极为普遍，具有典型的意义，而温控系统通常是时变的、非线性的、具有纯滞后的复杂大惯性系统，控制效果与采用的控制算法有很大的关系。针对这一问题，在本温度控制实验系统中，设计了变速积分PID算法实现了对温度的控制。通过实验表明，该算法的控制效果优于传统的PID控制算法。对于工程实际应用具有较强的借鉴作用。

　　关键词：温度控制;变速积分PID;DSP;实验系统

　　Abstract:Temperature control is widely applied in scientific experiments and industrial processes.However，the temperature control system has charactetristies of being nonlinear,time—varying and has hysteretic complicated large inertial system,and the effect,control is,closely related to the algorithms adopted.In this papel,an experimental temperature control system is developed to meeet the requirement of innovative ability training for mechatronic undergraduates.An gearshift integral PID control algotrithm is designed.The experimental results prove that the effect of the designed algotrithm is better than the traditional PID algotrithm.

　　Key words: temperature control; gearshift integral PID; DSP; experimental system

　　中图分类号：TP13 文献标志码：A 文章编号： 0 引言

　　温度的控制是科学实验和工业过程中最为普遍、最具典型意义的工业控制项目。任何物理变化和化学变化过程部与温度密切相关。本文设计了稠油热采井模拟实验装置的高温炉温度控制系统，为光纤测井技术的研究和相关理论的验证提供一个高温模拟实验装置。

　　1 系统数学模型

　　1.1 系统构成

　　系统组成如图1所示。系统由三部分组成，温度由计算机设定;模拟输入信号为温度信号，该信号来自铠装热电偶WRNK-191，热电偶将检测到的温度信号转换成电压信号，并电压信号送到智能仪表，智能仪表将信号经过冷端补偿、信号放大等一系列处理之后输出标准电压信号作为DSP的输入信号经过A/D转换后进行控制;直接与显示模块连接，显示上、下热电偶的实时检测温度;通过JR485转换器直接与计算机相连，观察温度实时曲线。DSP通过比较当前检测温度值和设定温度值，计算出输出控制量，通过固态继电器的通断来控制加热炉的通断，进而控制温度。

　　图1 温控系统组成框图

　　1.2 数学模型

　　1.2.1 模型形式

电阻炉是一个具有热容量的对象，当系统上电以后，炉丝的温度逐渐升高，通过炉壁热传递和热辐射使炉膛内温度也逐渐升高，电阻炉有一定的容量滞后;另外，用热电偶测量温度时，信号传输具有一定的纯滞后，但这毫秒级的测量滞后时间远远小于炉子的分钟级的容量滞后时间，所以测量环节的滞后可以忽略;其余环节可视为比例环节。所以，该系统应具有一个一阶惯性环节、一个滞后环节和一个比例环节，即具有温度系统的典型数学模型——的形式[1]。

　　1.2.2 参数测定

　　阶跃响应法是在不加控制的情况下，给加热装置加一个阶跃给定，经过自由温升，可以得到一条温度-时间曲线，如图2所示，再根据测试记录的响应曲线求取过程输入和输出之间的关系。该方法在工程实际上应用非常广泛，也比较简单有效。

　　图2 阶跃响应法

下面来确定三个参数，和延迟时间。的确定方法比较简单，为稳态响应与阶跃输入量之比。和的确定方法如图2所示，在阶跃响应曲线斜率最大处作一条切线，该切线与时间轴交于C点，与交于A点，A点在轴上的投影为B点。则CB段即为的大小，OC段即为的大小。

由响应曲线法得加热系统传递函数的近似值为：，,。

即温度加热系统的传递函数为：

　　2 控制方案选择

　　在控制在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器是一种运用最为广泛的自动控制器。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。

　　高温炉温度控制系统没有降温设备，降温只能靠散热，所以无静差控制就显得至关重要，控制系统的关键是严格控制超调，在此基础上再研究响应速度、调节时间等其他动态指标。综合考虑系统的特点，控制系统首先选择的是PI调节。位置式算法从程序开始就一直记录误差量，占据太多的存储空间;而增量式只用到了最近两次误差量，节约了大量的存储空间，所以我们选择增量式PI算法[2]。

——增量式PI算式

　　积分分离PI基本思想：在微机数字控制系统中，把P和I分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差;当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。变速积分的基本思想是：设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应。偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱;反之，偏差小时，使积分累加速度加快，积分作用增强[2]。

　　因为加热炉控制精度较高综合考虑积分分离和变速积分的基本思想，为了达到更好的控制效果，采用积分分离—变速积分复合的PI控制算法。

　　积分分离—变速积分复合PI算法原理如下：

　　1)当误差很大时，只有比例环节起作用，全速加热，以快速减少偏差;

2)当偏差降低到一定程度后，且改变积分项的累加速度(利用，)，使其与偏差大小相对应。偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱;偏差小时，积分累加速度快，积分作用增强。这样的话，既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。

　　3)当偏差再次降低，在范围内，为了能够上升到指定温度，并且在到达指定温度后，及时补偿散热，保持温度不变，采用小比例加热(因为用于维持某一个温度的热量是一定的)。

　　4)当误差小于0，即温度超过设定温度时，停止加热[2]。

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