一种引入滤波的PID控制算法在温控系统的应用
2022年电子技术应用第6期
姚立平1，刘伟章2，吴文明1，姜杨阳1，雷 鹏1，谭仲威1，王康宁1，李桂香1， 徐 飞1，唐元梁1，吴新社1，黄德群1，陈 军1，顾 珩1
1.广东省科学院健康医学研究所，广东 广州510500；2.华南农业大学 数学与信息学院，广东 广州510642
摘要： 为了使得温控系统响应更加稳定，在PID控制算法中引入了三阶离散滤波器对输入信号进行滤波，去除了抖动噪声，输出更为平稳的响应结果；此外，设计了一种基于STM32微控制器为控制核心的温度调控系统，由铂电阻Pt1000和MAX31865构成温度采集模块，由半导体制冷器TEC和H桥逻辑器构成温度调节模块，上位机软件与下位机系统使用USB串口通信，将接收的实时的温度数据进行引入滤波的PID调节，将调节输出值发送给下位机软件实现一次闭环的温度调节控制。实验结果表明，引入滤波器的PID控温度制方法要优于结合Bang-Bang的PID、引入微分先行PID、步进式PID、变积分PID，提高了抗干扰的能力，在工程温度控制方面具有一定的实用价值和应用价值。
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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