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1、分类号 _ 学号 M200772304 学棹代码 10487 密级 _ 硕士学位论文 半导体制冷器温度控制 系统的设计与实现 学位申请人：童汉维 学科专业：光学工程 指导教师：曾延安副教授 答辩日期： 2010.12 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering The Design and Implementation of Temperature Control Based on TEC Candidate Major Supervi
2、sor Tong Han-wei Optical Engineering Asso. Prof. Zeng Yan-an Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China Dec., 2010 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学
3、位 论 文 作 者 签 名 ： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， S卩：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ， 在 _ 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 (请在以上方框内打 “ V” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 摘要 对于光电探测器，噪声是一直存在的，如何才能够减小和消除噪声是十分重要 的问题。在光电探测器中的固
4、有噪声与探测器工作的环境温度是密不可分的，所以 说，如果能够控制探测器的工作温度就能够很好的控制探测器的噪声。本文介绍了 一种基于半导体制冷器的温度控制系统，该系统能够对所目标空间内进行温度控制， 可控的温度范围从 -20C到60C， 可以实现对探测器的快速精确温度控制。 半导体制冷器是一种利用珀尔帖效应来进行制冷的器件，它具有体积小、重量 轻、使用寿命长、没有噪音、无机械运动、加热制冷迅速、控制精度高、不需要制 冷剂、无污染等优点。 本文设计的温控系统包括单片机系统，温度测量系统，温度的输入和显示，以 及半导体制冷器的功率驱动这几个部分。温度测量系统指的是通过温度传感器读取 目标系统的当前温
5、度，这里采用的是数字式的温度传感器，易于单片机读取测量值。 单片机是整个温控的中央处理器，温度控制算法是在单片机中进行运算的。将测量 到的当前温度值输入到单片机，再通过比例积分微分控制算法的运算，就可以得到 要输出的控制量。单片机计算出的控制量要通过半导体 制冷器的功率驱动电路才能 驱动半导体制冷器工作。首先要将控制量经过数模转换器转换成模拟的电压量，然 后通过半导体制冷器的驱动电路，将可变的电压量转换成可变的电流量驱动半导体 制冷器正常工作，完成温度控制的目的。温度的输入模块是为了能够方便的调节目 标温度，显示模块则是为了能够实时的显示目标系统的当前温度。 本文介绍的温控系统中，控制算法是一
6、个非常重要的部分。这里采用被广泛使 用经典控制算法一一比例微分积分算法。它的优点是结构简单、实用、价格低、控 制效果好。 关键词：半导体制冷器温度控制比例积分微分单片机 I Abstract In industrial production, the temperature-control is playing a important role. For photo- electric detector, how to reduce or eliminate noise is a very important problem. Because the inherent noise of pho
7、toelectric detector is related to the temperature of the detector working environment, so if we can control the temperature we will control the detector noise. This paper introduces a kind of temperature control system based on TEC (Thermoelectric Cooler). This system can control the temperature of
8、an enclosed space from -20 C to 60 C quickly and accurately. TEC is to use the Peltier effect to work, which has small size, light weight, long life, no noise, no mechanical movement, heating cooling rapidly, high control precision, does not require refrigeration agents, pollution and so on. The pap
9、er presents the design of the temperature control system including single-chip computer systems, temperature measuring system, the temperature of the input and display, and semiconductor refrigeration inverter power drive. Temperature measurement system read the temperature of the system through the
10、 temperature sensor. Input the temperature into the microcontroller and calculate the amount of control through the PID control algorithm. As the amount is a digital quantity, first we must convert the amount into a voltage through the D / A converter , then drive the TEC by a TEC drive circuit, the
11、 temperature of system can be controlled. We can easily adjust the target temperature by the input module , and display the current temperature of systems through the display module. In the temperature control system introduced in this paper, the control algorithm is a very important part. The PID i
12、s adopted which is widely used classical control algorithm. Its advantages are simple structure, practical, low price and good control effect Keywords: TEC Temperature Controlment PID Singlechip 目录 壬商 . I Abstract . II 1绪论 1.1课题的研究背景及意义 . (1) 1.2半导体制冷技术的研究现状及发展动态 . (3) 1.3温度测控技术国内外发展现状 . (4) 1.4本文研究
13、的主要内容 . (6) 2系统的总体设计 2.1系统的技术指标和总体框图 . (7) 2.2半导体制冷芯片的选择 . (7) 2.3温度传感器的选择 . (11) 2.4温控算法的选择 . (12) 2.5单片机的选择 . (14) 3半导体制冷温度控制系统的硬件设计 3.1硬件系统设计 . (15) 3.2温度传感器 DS18B20 . (15) 3.3温度控制系统隔热空间的设计 . (17) 3.4数模转换 . (19) 3.5半导体制冷片驱动电路设计 . (23) 3.6显示和键盘电路设计 . (25) III 4半导体制冷器温度控制系统程序设计 4.1单片机程序设计框图 . (27)
14、4.2温度的采集程序 . (28) 4.3温度的设定与显示 . (29) 4.4温度的控制算法 . (33) 4.5 小结 . (35) 5系统测试和结果分析 5.1 PC机测 试程序 . (36) 5.2 PID算法的实现以及参数整定方法 . (38) 5.3比例部分系数的整定 . (39) 5.4积分部分系数的整定 . (42) 5.5微分部分系数的整定 . (45) 5.6系统整体测试 . (49) 6总结与展望 . (51) g i射 . (52) 参考文献 . (53) 附录 . (56) IV 1 绪论 1.1课题的研究背景及意义 光电探测系统是对采集到的光信号进行转换、传输以及处
15、理的系统，包含了探 测器以及随后的电子学系统。因此在系统工作的过程中，总是会受到无用信号的干 扰，把这种叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰称之为噪声。从噪声的来源上 可以把它分为两类：一是来自研究系统的外部，通常由电、磁、机械、杂散光等因 素引起的，这种干扰多具一定规律性，采取适当的措施可以将其减小或消失；二是 来自研究系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自然扰动，这些过程多为随机 过程，不能预知其精确大小及规律，不能完全消除，但可以根据其统计规律采取一 些措施予以控制。 在实际的光电探测系统中噪声是极其有害的。由于噪声总是与有用的信号混在 一起，因而影响到对信号特别是对微弱信号的正确探测
16、，光电探测系统的极限探测 能力往往由探测器的噪声所限制。所以在精密测量、自动控制等领域，减小和消除 噪声是十分重要的问题。五大噪声中，其中的两类与温度有着 紧密的联系，如果可 以精确的控制系统的温度，就可以很好的控制噪声，本次课题的意义也正是着眼于 此。 在光电探测器中的固有噪声主要有以下五大噪声：热噪声、散粒噪声、产生一 复合噪声、温度噪声以及电流噪声。 热噪声 热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的。任何一个处于热平衡 条件下的电阻，即使没有外加电压，也都有一定量的噪声，这是由于电阻体内电子 的热运动所引起的。奈奎斯特推导出热噪声功率为。 UlkTAJR (1-1) 式中 k为玻
17、耳兹曼常量， A/为测量带宽。如果用噪声电流表示则为 1 4kTAf (1-2) J R 散粒噪声 散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器件中。探测器的散粒噪声是由于 探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或载流子随机产生所造成的。由于随机起 伏是一个一个的带电粒子或电子引起的，所以称为散粒噪声。 在电子管中，电子从阴极发射出来，如果板极上所加的正电压足够高，使离开 阴极的电子立即为板极所收集而流过外电路，在一定的条件下就可测到一直流电流 I，当然这也是时间的平均值。从阴极发射电子过程来看，它们是完全无规则的。任 一短时间 r内发射出来的电子决不会总是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨 落。
18、 从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为 1 = 2eIf (1-3) 式中， e为电子电荷， A/为探测器工作带宽。 产生一复合噪声 半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产 生的噪声称为产生 _复合噪声，亦称 g-i 噪声 (generation-recombination noise)。 这种 噪声主要存在于光电导探测器中。 g-r噪声与前面介绍的散粒噪声本质是相同的，都 是由于载流子数随机变化所致，所以有时也把这种载流子产生和复合的随机起伏引 起的噪声归并为散粒噪声，但二者的具体表达式略有不同。经过理论推导 g-r噪声的 表达式为 = AeIMhf (1-4)
19、 式中， e为电子电荷， 7为平均电流， A/为探测器工作带宽 ， M = &/为光电 导探测器的内増益，它是载流子平均寿命和渡越时间 r,的比值。 温度噪声 温度噪声主要存在于热探测器中。热探测器通过热导 G与处于恒定温度的周围 2 环境交换能量。在无辐射存在时，尽管热探测器处于某一平均温度 7； ， 但实际上热 探测器在 7； 附近呈现一个小的起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温 度噪声。它最终限制了热探测器所探测的最小辐射能量。 经过理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为 AW = 4GkT2Af (1-5) 式中 G为探测器的热导， k为玻尔兹曼常量， T为探测器
20、工作温度， A/为探测 器的工作带宽。 电流噪声 电流噪声通常又称为低频噪声或 1/f噪声。这种噪声的特点是噪声功率谱密度 与频率成反比。电流噪声的均方值可用经验公式表示为 i2 =Ki1- 1 ja (1-6) 式中 K为比例系数，与探测器制造工艺、电极接触情况、半导体表面状态及器 件尺寸有关；为与材料有关的常数； 6与流过器件的电流 I有关； /与 A/分别为 探测器工作的频率和带宽 1。 1.2半导体制冷技术的研究现状及发展动态 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通 过直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能 量转换特性，它的
21、应用才真正使热电制冷实用化，为此人们又把热电制冷称为半导 体制冷。至于温差点制冷名称的由来，是由于人们发现了材料的温差电动势之后再 发现其反效应，即具有制冷功能的珀尔帖效应，与温差发电对应。而后称为温差电 制冷 2H5。 与常规的机械制冷相比，它的特点如下几个方面：无运动部件，振动和噪声低 ; 无制冷剂，环保性好；冷热转换方便；在小功率制冷时，制冷系数较高；制冷速度 快，反映敏捷，可以快速实现大温差；调节性能好；可以做成各种形状，易于微型 3 化，满足各种需要。由此可见，半导体制冷开辟了制冷技术的一个新领域，扩大了 制冷技术的应用范围，在某些特殊的场合，有着别的制冷方式无法替代的作用。 目前，
22、国内外对半导体制冷的研究主要集中在半导体材料研究开发、模块设计 制造和系统优化设计等几个方面。近几年，美国、日本、澳大利亚等国家在热电制 冷材料领域研究有很多的突破，高性能材料不断涌现。 2001年，美国 RTI研究所的 Venkatasubramanian等人将 Bi-Te基合金制备成超晶格薄膜，在 30OK的温度下其 ZT 值可以高达 2.4，成为目前世界最高水平。 但是由于高性能的材料制造加工起来十分 复杂，价格也就十分昂贵，因此在实际应用中没有市场。纳米技术和缺陷理论为寻 找高优值的热电制冷材料提出了一个新的方向，有可能在不久的将来取得重大突破， 为热电制冷技术的大范围推广带来希望。由
23、于材料还没有取得很大的突破，很多国 家都把对半导体制冷器进行模块设计和系统性能优化放在了很重要的位置，这更具 有现实意义 6H1。 1.3温度测控技术国内外发展现状 如今，温度测量与控制已经被广泛的应用于社会生活的各个领域，如家电业、 汽车制造、电力电子产品等等。常用的测控方法、测控电路以及所使用的测控方式 有很多种类，根据应用的场合以及性能指标的要求合理的选择合适的测量和控制方 法方式 11。 1.3.1温度测量方法发展现状 温度在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中是一个极其普遍而重 要的测量参数。温度测量是通过温度传感器来实现的。测温仪器通常由两个部分构 成：温度传感器和信号处理
24、。温度测量的过程分为两个步骤，第一步，通过温度传 感器将被测对象的温度值转换成电或其它形式的信号；第二步，传递给信号处理电 路进行信号处理转换成温 度值显示出来。目前，国内外常用的温度传感器大致分为 以下几种： 热膨胀式温度计。热膨胀式温度计是一种利用膨胀法来测量温度的仪表。所谓 4 膨胀法指的是利用物质的热膨胀性质与温度的固有关系为基础实现的一种测温方 法。采用这种方法制成的仪表，我们称之为膨胀式温度计。按选用的物质不同可分 为液体膨胀式温度计，气体膨胀式温度计和固体膨胀式温度计三大类。 电阻温度计。电阻温度计采用的是热电阻作为感温元件，来测量温度的。其中 热电阻是一种导体或半导体的感温元件
25、，它具有电阻值随温度变化而变化的特性。 常用的热电阻材料有：铜电阻、铀热电阻和镍热电阻。由于电阻值不易直接读出， 所以热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。 热电偶。热电偶测量温度所使用到得基本原理是热电效应，这是热电效应理论 的一个具体应用。热电偶测量温度的方法是将两种不同成份的导体焊接在一起，由 于两端温度不同时，在回路中就会产生热电势，热电偶能测量到热电势因而可以测 量温度，同时它也是一种变换器，将温度信号转变为电信号再通过仪表显示出来。 该种测量方法 已经在实际生活中得到广泛应用。它的测温优点有以下几点：测量精 度高、结构简单、动态响应快、可作远距离测量、测温范围广等
26、1216。 1.3.2温度控制方法发展现状 如今，温度控制方法已经有了快速的发展， PID控制、模糊控制、神经网络控制 和遗传算法等控制方法已经逐渐的取代了传统的直接控制方法，成为主流的温控方 法。 PID控制。又称比例、积分、微分控制，温控原理是通过温控系统将采集的当前 温度值与设定的目标值进行比较，并将差值作为 PID控制功能块的输入，在 PID功 能模块中根据比例、积分、微分系数按照算法计算出输出控制量，再通过修改控制 变量误差的方法实现闭环控制，达到温度控制的目的。 PID控制有着结构简单、实用、 价格低的特点，在很多的过程领域都可以达到很好的控制效果，得到广泛的应用。 人工神经网络。
27、它采用大量简单的处理单元，使用数学模型模拟生物神经细胞 的结构和其处理信息的方法，按照一定的拓扑结构，将其连接成复杂的网络，对采 集到的信息做相应处理。 模糊控制。对于不易取得精确数学模型或是数学模型不确定或是经常发生变化 的对象，常采用一种基于模糊逻辑的控制算法，同时 在算法中加入操作人员的经验 5 和直觉知识 17H22。 1.4本文研究的主要内容 全文共分为六大部分：第一章介绍了本文的研究背景以及提出了全文所要讨论 的课题；第二章对系统的整体设计做了具体的分析，详细的介绍了半导体制冷芯片 以及温度传感器的选型和控制算法的选择；第三章介绍温度控制系统的硬件电路以 及元器件的选型；第四章详细
28、介绍温度控制系统的软件程序设计；第五章对 PID控 制算法中的参数整定过程做了详细说明，并对系统进行整体测试；第六章全文总结。 6 2系统的总体设计 2.1系统的技术指标和总体框图 系统的总体框图如图 2-1所示。主要由单片机系统，温度测量电路，温度的输入 和输出显示，以及半导体制冷器的驱动电路组成。 图 2-1系统框图 温度测量电路通过温度传感器，读取当前系统的实时温度，经过单片机分析后， 进行相应的处理，发出控制信号，然后通过驱动电路控制半导体制冷器加热或制冷 23。 温度控制系统技术指标如下： 温控范围： -20C 60C 温控精度： .lC 温度达到稳定时间：小于 3分钟。 2.2半导
29、体制冷芯片的选择 为了选择合适的制冷片，从 TEC的制冷功率以及最大温差等多个参数为依据， 筛选满足要求的 TEC。 首先尝试的是常用的一级制冷片，型号为 TEC1-12706T125, 它的相关参数如下表。 表 2-1 TEC型号及参数 型号 电 堆 数 电流 Imax (A) 最大工作 电压 Umax (V) 最大产冷量 Qcmax (W) 最大温差 ATmax (C) 外形尺寸 (mm) 电阻 ( 重量 (g) 热端温度 Th=27C L W H TEC1-12 706T125 127 6 15.2 56.5 70 40 40 3.9 1.94 23 7 经过反复实验发现，使用该制冷片，
30、它的制冷效果不是很好，最好的制冷效果 只能将目标系统的温度降到比室温低 20C。 如何提高制冷效果成为了一个难点。在 实验中发现，抑制制冷效果的一个很大因素是 TEC的热端散热问题。如果要提高散 热效果，最好的方案就是采用水冷的方式，但这样整个系统就会很复杂，所以依旧 采用风冷的方式，相应的重新选择一款制冷效果更好的芯片作为代替。 图 2-2TEC1-127实物图 考虑到在目前的水平上，单级的半导体制冷能够达到的最大温差为 70K,单级 的半导体制冷不仅不能实现更大的温差，而且在温差较大的情况下工作时，它的制 冷系数也在急剧的下降，制冷状况迅速恶化，所以为了实现较大的温差，我们尝试 这使用多级
31、制冷技术 24_27。 在多级半导体制冷中，有两种结构方式：串联方式和并联方式。图 2-3是一个两 级半导体串联制冷的示意图。 串联型多级制冷热电堆的特点是各级的 工作电流是相同的，级和级之间要有一 层电绝缘导热层，制作工艺比较简单。通过实验证明，在半导体两级制冷的情况下， 如果级间的元件个数比 r=2时，多级制冷有比较高的制冷系数和制冷量，但是随着 r 的进一步増大，可以获得更大的温差，但制冷系数和制冷量都会降低很多，半导体 制冷器经济性下降很多。 8 图 2-3 两级半导体 +联制冷的示意图 而并联型的多级热电堆的特点是各级之间的输入电压是相同的，同时级和级之 间不需要电绝缘导热层，所以级
32、和级之间不存在有害温差。但随之而来的是电路设计上 比较复杂，特别是在负载较大的情况下。图 2-4是两级的半导体并联制冷的示意图。 图 2-4两级的半导体并联制冷的示意图 实验表明，如果两级并联制冷工作的级间的元件个数比 r=l时，可以达到最大 的制冷系数，但是随着 r的增大，制冷器的制冷系数同样也会逐渐的降低。并联多级 制冷的第二级的最大工作电流都小于单级制冷状态下的最大工作电流，而且当其处 于最大制冷量和最大制冷系数情况下的电流也总是小于单级工作时的电流。从上述 中可以在设计多级并联制 冷器时，同样可不考虑热电单元能够承受的最大输入电流。 并联制冷第二级的最佳工作电流大约是单级最佳工作电流的
33、一半。两级并联制冷的 级间元件个数比 r=l时能够达到最大的制冷温差，随着 r的增大，制冷温差逐渐减小， 减小的速率较为缓慢。 9 对比串联和并联半导体制冷，得到如下结论： 如果级间元件个数比和工作电流相同，串联半导体制冷中平均的制冷量较大， 制冷的能力较强； 在级间元件个数比 r=l的情况下，并联半导体制冷的制冷系数要比串联半导体 制冷的更高，相反，在 r=2, 3, 4的时候，串联半导体制冷的制冷系数反而优于并 联半导体制冷； 在使用相同的级间元件个数比的情况下，串联半导体制冷能够产生更大的制冷 温差； 串联半导体制冷的工作电流范围更大 28。 从中可以看出，串联半导体制冷有更大的制冷量、
34、更高的制冷系数以及能够到 达更大的制冷温差，因此，在实际的应用中，半导体串联制冷应用的更为广泛。 综合考虑所需要的最大温差和制冷量，选择如下一款二级半导体制冷片作为代 替，它的型号是 TEC2-25504， 相关参数如下表。 表 2-2 TEC2-25504 参数 产品型号 最大温 差电流 (A) 最大温差 (C) 最大电压 (V) 最大产冷功率 (W) 长 (mm) 宽 (mm) 厚 (mm) TEC2-25504 4.0 72 15 30.0 40.0 40.0 7.0 图 2-5 TEC2-25504 实物图 10 通过实验测试出，当通过 TEC的电流达到 3.75A时，在使用风冷的散热
35、条件下， 整个系统达到最好的制冷效果，目标系统的温度可以降到比室温低 35C。 2.3温度传感器的选择 温度采集时需要使用温度传感器对当前系统的温度进行测量，目前被广泛使用 的温度传感器有如下几种类型。 温度传感器热电阻测温，是基于金属导体的电阻值随温度的增加而増加这一特 性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的 是拍和铜，它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是 最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 常见的铂热电阻是杆式的铂电阻，它是由铂丝、绝缘架和保护套组成。铂热电 阻通常用直径为 0.03 0.07 0.005毫
36、米的铂丝单层烧制而成。铀丝的直径大小将直接 影响铂电阻的强度和它的热惰性的大小，同时，由于钼是贵金属，也影响其成本。 图 2-6铂电阻结构 热电阻采用三线制接法，即是在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连 接两根引线的方式，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影 响。采用三线制能够消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电 路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线也成为桥臂电 阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线 制，将 导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及其相邻 的桥臂上，这样消除
37、了导线线路电阻带来的测量误差。 温度传感器热电偶测温采用的是热电效应来测量温度的。将两种不同材料的导 体或半导体焊接到一起，构成一个闭合回路。当两种导体或半导体的两个执着点之 间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种 现象就称为热电效应。使用热电偶测温有着如下几个优点：测量精度高，测量范围 广，构造简单，使用方便。 本次课题设计的温度控制系统所要求的技术指标为，温度的控制范围从 -20C到 60C，控制的精度为 O.TC。 综合考虑各个方面的因素，采用 DALAS公司的 DS18B20 数字式温度传感器作为温度采 集器件。 DS18B20的测量范围从 -55C到
38、 125C， 测量 精度高达 12位，最小可分辨温度为 0.0625C， 完全可以满足系统设计要求的技术指 标。同时， DS18B20采用了 1总线接口，大大简化了接口电路的设计，可以把精力 主要集中在温度控制算法的研究上。 2.4温控算法的选择 PID控制器技术的应用已经有近 70年历史，如今它已经成为了工业控制的主要 技术之一，这与它的所具有的控制优势是分不开的。传统的控制器在使用的时候， 首先要完全掌握被控对象的结构或者参数，构成系统精确的数学模型，在理论上模 拟系统工作的状态，然后才能够在实验中应用控制技术。但如果被控制对象是一个 完全不了解的事物，不能获得足够的结构和参数，构成系统理
39、论数学模型，其他的 控制理论技术就难以被采用， PID控制技术成为最为方便的一种方法，它的结构和参 数只能依靠经验和现场调试来确定，不用担心因缺乏对被控制对象的了解而无法得 到控制器参数的问题。总的来说， PID控制技术的优势可以用如下的十六个字概括： 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。 比例 （ P)、 积分（ I)、 微分 （ D)是三种基本的控制规律。控制器输出的变化 量 u与偏差 e间有一 定的函数关系，这三种基本的控制规律都是线性的运算规则。 ut) = Kpet) + Kt et)dt + Kd (2-1) 其中 .， 分别是比例，积分，微分系数。比例控制改变系统的动作灵 1
40、2 敏度，增大可以减小稳态误差，提高系统的动态响应速度，但太大时会使系 统不稳定。积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度，心过小时， 积分作用太弱，不能减小稳态误差，心过大时，系统稳定性会下降。微分控制可以 改善动态特性，使超调量减少，调节时间缩短。 比例 （ P)控制 在比例控制的情况下，控制器的输出量与输入的信号成比例的关系，即是将输 入量做一定比例的放大或者缩小来作为最终的控制量，是一种最为简单的控制方式。 如果只有比例控制，系统在稳定状态下的输出存在稳态误差 （ Steady-state error)。 积分（ I)控制 对于上述一个只有比例控制的自动控制系统，在进入稳态
41、系统的输出存在着稳 态误差，我们称这是一个有稳态误差的控制系统，简称为有差系统 （ System with Steady-state Error)。对于控制系统，稳态误差不应该存在的，它使得系统控制 不能达到要求，必须被消除。为了消除稳态误差，控制器中就必须加入 “ 积分项 ” ， “ 积分项 ” 的输出与输入信号的积分成正比关系。输入信号的积分随着时间的增加 会不断的增大，即使在输出信号很小的情况下，只要有足够的时间就一定能够获得 可观的积分项，随着积分项的增大，控制器的输出也会増大，系统的稳态误差就会 减少，最终等于零。所以，有比例控制和积分控制的控制器能够使系统在无稳态误 差的状态下工作
42、。 微分 （ D)控制 某些自动控制系统在调节的过程中会出现振荡甚至失稳的状态，这是因为在控 制系统中有较大惯性组件（环节 ） 或者有滞后 (delay)组件，使得在控制的过程中系 统中的被控制对象的变化总是滞后输入信号的变化。为了能够减少振荡以及消除失 温状态，就必须使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” 发生，使其具有预见性，即在误 差接近零的时候，抑制误差的作用也是零。微分控制的引用可以很好的解决这个稳 态，微分控制器的输出与输入信号的微分（即输入信号的变化率）成正比关系，微 分项的引入能够使得控制器输出提前对输入信号的做出反应。所以引入 “ 微分项 ” 13 的控制系统能够预测误差变化的
43、趋势，提前做好抑制作用，使系统不会出现严重的 超调现象，使得系统更容易进入稳态，振荡时间减少。对于有较大惯性或滞后的被 控对象，微分控制的加入能够很好的改善系统在控制过程中的动态曲线。 PID控制器如果要能够在实际生活中应用，必须要对它的参数进行整定。 PID控 制器参数的整定是一个非常重要的过程，它直接影响到系统控制能否正常进行，控 制精度能否达到要求等等重要因素。 PID控制器参数整定的方法大致可以分为两大 类：一是理论 计算整定法。依据 PID系统的数学模型，计算出控制器参数。该方法 得出的参数并不能直接运用到实际生活中，必须通过实验的方法进行二次整定。二 是工程整定方法，在实验中，依赖工程的经验，直接对控制系统参数进行整定，通 过大量的实验数据以及反复的实验过程，确定达到要求的参数，该方法简单、容易 实施，已经被广泛的使用 29433。 2.5单片机的选择 单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性 高、灵活性好、开发较为容易，一直以来以其极高的