摘   要： 針對等離子體催化劑活化裝置中溫度環(huán)境對催化劑性能的影響,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)行了測試。上位機(jī)通過串口通信數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab對其進(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、無靜差、溫度控制平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。對于溫度控制精度要求較高的應(yīng)用場合，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程中，考慮到溫度對催化劑性能的影響，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溫度影響要求不高的場合；采用單片機(jī)溫控方法,可用于一般溫度控制場合，但對要求實(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，可滿足對信號的快速、精確和實(shí)時(shí)處理需要。
     針對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信號調(diào)理電路產(chǎn)生0~3.3 V電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由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，通過快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來加熱爐內(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，最終達(dá)到溫度控制的目的。另外，檢測到的溫度信號通過數(shù)碼管顯示，上位機(jī)通過串口獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用Matlab對其進(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)到了開關(guān)管Q11的門限電壓,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，熱電偶傳來的帶有溫度信號的毫伏級電壓經(jīng)濾波、放大后送至A/D轉(zhuǎn)換器。通過采樣和A/D轉(zhuǎn)換，將所檢測到的爐溫對應(yīng)的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，并與給定的電壓信號進(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，通過快速調(diào)節(jié)占空比來給爐內(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，測溫范圍為0~1 800℃，精度小于±0.5%t。熱電偶輸出的熱電勢為十幾毫伏，信號先經(jīng)第一級高精度運(yùn)放放大，再經(jīng)后級運(yùn)放反向輸出。第一級運(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。放大后的信號通過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，則對外部溫度信號進(jìn)行采樣；由ADC采樣子程序?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行采樣和濾波處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；調(diào)顯示子程序，由數(shù)碼管對其進(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)濾波后的采樣信號進(jìn)行運(yùn)算，調(diào)PWM波形產(chǎn)生子程序，DSP2812根據(jù)前一級運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生占空比可變的PWM波，通過快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來控制發(fā)熱電阻絲加熱的時(shí)間長短，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，通過快速調(diào)節(jié)占空比的寬度來決定發(fā)熱電阻加熱的時(shí)間長短，以達(dá)到控制溫度的目的。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通過PID算法的程序設(shè)計(jì)以及在TMS320F2812中運(yùn)行調(diào)試后，將檢測到的溫度信號通過串口通信傳送給PC機(jī)，并由Matlab對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。
    本實(shí)驗(yàn)中對無數(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)行了測試，結(jié)果如圖6所示。可以觀察到，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“試湊”法。根據(jù)PID控制器的P、I、D參數(shù)對系統(tǒng)性能(包括及時(shí)響應(yīng)、超調(diào)、過沖、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)對系統(tǒng)的響應(yīng)不同。通過大量實(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℃，無過大振蕩，能長時(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、無靜差、溫度控制平穩(wěn)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。對于溫度控制精度要求較高的應(yīng)用場合，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. PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.