一種引入濾波的PID控制算法在溫控系統的應用
2022年電子技術應用第6期
姚立平1，劉偉章2，吳文明1，姜楊陽1，雷 鵬1，譚仲威1，王康寧1，李桂香1， 徐 飛1，唐元梁1，吳新社1，黃德群1，陳 軍1，顧 珩1
1.廣東省科學院健康醫學研究所，廣東 廣州510500；2.華南農業大學 數學與信息學院，廣東 廣州510642
摘要： 為了使得溫控系統響應更加穩定，在PID控制算法中引入了三階離散濾波器對輸入信號進行濾波，去除了抖動噪聲，輸出更為平穩的響應結果；此外，設計了一種基于STM32微控制器為控制核心的溫度調控系統，由鉑電阻Pt1000和MAX31865構成溫度采集模塊，由半導體制冷器TEC和H橋邏輯器構成溫度調節模塊，上位機軟件與下位機系統使用USB串口通信，將接收的實時的溫度數據進行引入濾波的PID調節，將調節輸出值發送給下位機軟件實現一次閉環的溫度調節控制。實驗結果表明，引入濾波器的PID控溫度制方法要優于結合Bang-Bang的PID、引入微分先行PID、步進式PID、變積分PID，提高了抗干擾的能力，在工程溫度控制方面具有一定的實用價值和應用價值。
中圖分類號： TP29；TF325.64
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211847
中文引用格式： 姚立平，劉偉章，吳文明，等. 一種引入濾波的PID控制算法在溫控系統的應用[J].電子技術應用，2022，48(6)：79-83.
英文引用格式： Yao Liping，Liu Weizhang，Wu Wenming，et al. Application of PID algorithm by using filter in temperature control system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(6)：79-83.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211847
中文引用格式： 姚立平，劉偉章，吳文明，等. 一種引入濾波的PID控制算法在溫控系統的應用[J].電子技術應用，2022，48(6)：79-83.
英文引用格式： Yao Liping，Liu Weizhang，Wu Wenming，et al. Application of PID algorithm by using filter in temperature control system[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(6)：79-83.
Application of PID algorithm by using filter in temperature control system
Yao Liping1，Liu Weizhang2，Wu Wenming1，Jiang Yangyang1，Lei Peng1，Tan Zhongwei1，Wang Kangning1， Li Guixiang1，Xu Fei1，Tang Yuanliang1，Wu Xinshe1，Huang Dequn1，Chen Jun1，Gu Heng1
1.Institute of Medicine and Health，Guangdong Academy of Sciences，Guangzhou 510500，China； 2.College of Mathematics and Informatics，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China
Abstract： In order to make the response of the temperature control system more stable, the third-order discrete filter is introduced in PID control algorithm to filter the input signal, which eliminates the jitter noise and makes the outputs more steady. Besides, a temperature control system based on STM32 micro-controller is designed. The temperature acquisition module is composed of platinum resistance Pt1000 and MAX31865, and the temperature regulation module includes semiconductor cooler TEC and H-bridge logic. The computer software communicates with the cotrol system through USB serial port. The received real-time temperature data is used in PID control algorithm by introducing filter, and the output value is afterwards sent to the computer software to realize a closed-loop temperature control process. The experimental results show that the PID algorithm with filter outperforms PID combined with Bang Bang, differential first PID, step PID and variable integral PID, which improves the ability of anti-interference and has the practical value and application value in engineering temperature control.
Key words : temperature control system；PID control；third-order discrete filter；semiconductor cooler TEC
0 引言
隨著科學技術的進步及工業的發展，溫度測控技術占有很大的促進作用[1]。由于溫控系統具有時變性、非線性及純滯后性等特點，因此精確的數學模型無法建立，PID控制算法因為其控制原理簡單、穩定性好、調整方便、容易實現等優點，越來越多在工業控制領域應用[2-3]。由于采集的實時系統溫度攜帶著干擾噪聲，因此本文引入了三階離散濾波器對輸入信號進行濾波，提高了PID控制方法的抗干擾能力；同時，設計了一款以STM32為控制核心的閉環溫度控制系統。使用四線制的鉑電阻Pt1000和MAX31865的溫度采集電路；使用半導體制冷器TEC和H橋驅動器構成溫度升降調節模塊，采集的實時溫度使用USB串口通信傳輸到上位機PC端，上位機軟件依據當前的實時溫度與設定的溫度使用引入濾波的PID調節，將PID輸出值反饋到下位機系統中，同時上位機軟件具有實時的溫度曲線、調節的功率曲線以及溫度梯度曲線顯示，下位機具備液晶屏顯示、聲光指示及按鍵存儲等功能。
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作者信息：
姚立平1，劉偉章2，吳文明1，姜楊陽1，雷 鵬1，譚仲威1，王康寧1，李桂香1，
徐 飛1，唐元梁1，吳新社1，黃德群1，陳 軍1，顧 珩1
(1.廣東省科學院健康醫學研究所，廣東 廣州510500；2.華南農業大學 數學與信息學院，廣東 廣州510642)
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