基于PIC单片机的线性升温控制器设计
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制并通过实验方式整定 PID 各项参数，因此实现起 来比较简单。然而，当被控对象的参数随时间发生
变化或系统中存在大时延环节时, 固定参数的传统 PID 控制就不能满足系统对稳定性、快速性和准确 性的要求, 往往会引起系统的调节时间过长、超调 量过大甚至振荡[4]。为此，本文参考变速积分控制 算法[5]和模糊 PID 控制器参数自整定方法[6]，在控 制过程根据误差值的大小分阶段选取不同的 PID 参 数，控制器参数的调整所依据规则如下：
数据初始化
初始状态是否正常
否
是
否
是否使能加热
是 启动温升速率PD控制
否
是否到达设定误差
是
启动温升速率及温度的积 分控制
否
是否达到温度上限
是 停止加热
启动异常状态报警
图 4 控制器程序流程图
Fig.4 controller program flow chart
4 仿真分析
利用 MATLAB 分别对本文提出的控制方法及常
realizes a linear increase of temperature in the whole working process. Because of its simple control algorithm,
parameters being easily designed and optimized and high control precision, it is especially suitable for the design
(1)开始时, e 较大，取较大的 K p 以提高响应速
度, KI = 0 防止积分饱和，适当的 Kd 以减小超调； (2)在调节中期,取适中的 KI 、 Kd ，以保证一
定的响应速度及避免超调；
(3)在调节后期，增大 K p 以减小静差，适当增
大 KI 提高稳定性，适当减小 Kd ,以防止输出产生振
of low cost temperature linear controller. Results of the MATLAB simulation verify its feasibility.
Key words: Temperature linear control; Embedded system; Variable arguments PID control; Long cycle integral
2.2 温度检测电路 本文采用热电阻 PT100 作为温度传感器，利用
其三线制接法构成电阻桥的一只桥臂，将温度转换 为桥臂中点电压差信号，并通过仪用运放电路将其 进一步放大后提供给单片机 A/D 输入端。 2.3 功率输出电路
加热功率的输出是利用交流调功电路实现的。 微控制器 I/O 输出引脚连接至过零触发的光耦可控 硅芯片 MOC3041 输入端，芯片输出连接双向可控 硅。通过控制固定周期内的可控硅的通断时间，控 制器间接地控制了电阻丝的加热功率。
the control strategy that control system is designed based on the temperature increasing velocity variable
arguments PID control, even in two different requires. And then, by using long cycle integral regulation, it
2 控制器系统硬件设计
2.1 系统设计框图 控制器电路以 PIC16F877A 为控制核心，包含
了温度检测电路、微控制器、功率输出电路、功能 设定按键、数码管温度显示电路及异常状态报警电 路 6 个部分。系统结构框图如线性升温控制器系统结构框图
Fig.1 block diagram of temperature linear control system
即 k 为小于或等于 i / N 的最大整数； T0 为加热对象
初始温度； ∆T ' 为理想情况下 TSL 时间温度上升值。
这种控制方式下，相当于在温升速率控制闭环内
以固定周期加入一定强制积分补偿量，从而加快了控
制量 u 'i 的调整速度。由于 TSL 的值远大于 TS ，所以
这种积分作用不强，不会引起输出的较大超调和振
Design of Temperature Linear Controller Based on PIC MCU
CHENG Guang-xin, DUAN Jian-hua
(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: In order to meet the temperature control demands in softening test, this paper presents a design method
在算法的实现中对硬件电路的要求进一步提高，从 而导致了这些方法在低成本控制器的设计很难得到 应用。本文以温升速率的变参数 PID 控制器设计为 基础，分别对两种线性控温要求提出易于参数整定 和优化的控制器设计方法，在保证控制性能的前提 下简化了系统设计，从而为低成本线性升温控制器 的设计提供了一种可行的参考方案。
of temperature linear controller that based on MCU PIC-16F877A. A thermal resistance is used to form a bridge
for temperature detecting, and AC power regulator is used in the output power control circuit. This paper adopts
regulation
1引言
通常对温度的控制分为以下两种形式：恒温控 制和使温度按照某种规定的程序变化。其中线性升 温控制属于后者，并被广泛应用于软化点参数的测 量实验中。基于嵌入式系统的线性升温控制器由于 采用了数字化控制，因此电路结构简单，控制方法 灵活。在控制策略上，数字式 PID 控制应用广泛， 然而由于温度控制中被控对象通常为惯性并且大滞 后环节，常规方法设计的控制器很难达到满意的控 制效果[1]。针对温度控制器中的 PID 参数设计有文 献提出了很多优化方法，如参数自整定模糊 PID[2]， IMC-PID[3]等。优化后的 PID 控制器性能得到了显 著的改善，然而随之控制的算法也变得非常复杂，
到当前温升速率偏差 ei ，如式（1）所示，利用 ei 并 根据式（2）所示的数字 PID 算法即可得到控制量 ui 。
ei = ∆T * − ∆Ti
（1）
i
∑ ui = KP × ei + KI × e j + KD × (ei − ei−1) （2） j=1 这种控制器的设计由于是基于常规数字 PID 控
KD =2。温升速率变参数 PID 控制仿真结果如图 5 所
示。其次，在温升速率控制器设计的基础上引入温度
的长周期积分调节，选取
TSL
=20s，
K
' I
=0.2。全程线
性升温控制器的仿真结果如图 6 中绿色曲线所示。
温度/℃
80
理想温升曲线
70
实际温升曲线
60
50
40
30
20
10
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800
数并依据工程设计的方法先预设 PID 的各部分参数 值，然后通过实验将其进一步优化。
在图 2 中，利用当前检温度检测值 Ti 并结合前一 周期采样值 Ti−1 可计算出前一个采样周期 TS 内的温 度变化量 ∆Ti ，温升速率设定值 ∆T * 与 ∆Ti 相减便得
wwwpapereducn到当前温升速率偏差根据式2所示的数字pid算法即可得到控制量fig1blockdiagramtemperaturelinearcontrolsystem22温度检测电路本文采用热电阻pt100作为温度传感器利用其三线制接法构成电阻桥的一只桥臂将温度转换为桥臂中点电压差信号并通过仪用运放电路将其进一步放大后提供给单片机输入端
规温度、温升速率双闭环控制方法进行仿真。在设定
加热对象的传递函数为 G(s) = 0.1 e−20s 时，控 25s +1
温要求为： T0 =0℃, ∆T * =0.1℃/s。
控制方法及参数：（1）基于温升速率控制并引
入长周期积分调节：首先，针对温升速率进行变参数
PID 设计，选取 TS =2.5s，在 ei ＞0.1℃/s 时，KP =10， KI =0，KD =4， 在 ei <0.1℃/s 时，KP =15，KI =1.5，
3 线性升温控制策略
3.1 全程线性升温控制器设计
一般情况下，可将线性升温控制系统的控制过 程分为调整及稳态两个阶段。如果不对调节过程做 特殊要求，仅需保证稳态时温度的线性升高，可采 取图 2 所示的以温升速率为控制器给定的单闭环数 字 PID 控制方法。
∆T *
ei
ui
Ti
∆Ti
图 2 温升速率 PID 控制的系统框图
荡[7-10]。
PID 参数的优化可以显著提高系统的动态响 应，并消除稳态温升速率误差。然而，由于调整过
程的存在，稳态时的实际温升曲线与理想曲线不可
避免的出现了偏移。本文在温升速率变参数 PID 控 制器设计的基础上，通过引入温度的长周期积分调
节实现了全程的线性升温控制。控制器将积分过程
分为积分分离和正常积分两个阶段，同时积分控制
的控制量 u 'i 。此时刻，控制器中变量间的关系如式
（3）-（6）所示：
T * = T0 + k ×TSL × ∆T ' （3）
e 'k = T * − Tk
（4）
k
∑ u1k
=
K
' I
×
e 'm
（5）
m=1
u 'i = u1k + ui
（6）
其中：TSL = N ×TS ，N 为选定常数；k = [i / N ] ，
相对于温升速率控制闭环中的采样周期 TS ，控 制器另选取一个较长的控制周期 TSL ，在每间隔 TSL
时刻采样当前温度值并与理想情况下此时刻的温度
值 T * 比较，得到误差 e 'k ， e 'k 通过一个积分控制器
2
中国科技论文在线
得到控制量 u1k ， u1k 与 ui 相加后作为后级功率输出
荡。
3.2 控制器程序流程
控制器的程序流程如图 4 所示，在加热初期采 用积分分离控制，从而避免了积分的饱和，同时通 过 PD 控制，使温度缓慢上升，当加热到设定时间 后启动积分控制；此后，利用短周期的温升速率变 参数 PID 控制对控制量进行快速的调整，同时由长 周期积分对温升曲线进行动态校正，在稳态时实现 输出温度对理想温升曲线的无误差跟随。
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基于 PIC 单片机的线性升温控制器设计
程广欣 段建华
(哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001)
摘 要: 本文针对软化点测试实验过程中对温度的控制要求，提出了一种基于 PIC16F877A 单片机的线性 升温控制器设计方案。控制器利用热电阻搭建的桥式测温电路进行温度检测，根据预设的升温控制算法通 过交流调功电路调节加热功率。在控制策略上，本文针对线性控温要求采用了以温升速率的变参数 PID 控 制器设计为主的方法，并通过引入温度的长周期积分调节解决了温升曲线全程线性化的问题。由于这种方 法算法实现简单，控制器参数易于设计和优化，同时控制精度较高，所以非常适合应用在低成本线性升温 控制器设计中。利用 MATLAB 对此方法进行了仿真实验，进一步验证了该方法的可行性。 关键词: 线性升温控制；嵌入式系统；变参数 PID 控制；长周期积分调节 中图分类号: TP273
Fig.2 temperature increasing velocity PID control system
由于采用了数字式控制，所以在控制器设计中
要涉及到参数的离散化及采样周期 TS 的选取。其
中，需要参考到加热器的最大加热功率、温升速率 设定值、温度的检测的滞后时间等参数。在确定了
TS 后，由交流加热电源电压、加热对象的物理等参
环节也分为两部分：温升速率变参数 PID 控制环中 较短周期的积分控制以及针对于温度误差采取的较
长周期的积分控制。引入温度长周期积分调节后的
系统框图如图 3 所示。
∆T*
ei
ui
u 'i
Ti
e 'i
u1i
T*
∆Ti
图 3 引入温度的长周期积分调节后的系统框图
Fig.3 system diagram after introduce long cycle integral regulation
变化或系统中存在大时延环节时, 固定参数的传统 PID 控制就不能满足系统对稳定性、快速性和准确 性的要求, 往往会引起系统的调节时间过长、超调 量过大甚至振荡[4]。为此，本文参考变速积分控制 算法[5]和模糊 PID 控制器参数自整定方法[6]，在控 制过程根据误差值的大小分阶段选取不同的 PID 参 数，控制器参数的调整所依据规则如下：
数据初始化
初始状态是否正常
否
是
否
是否使能加热
是 启动温升速率PD控制
否
是否到达设定误差
是
启动温升速率及温度的积 分控制
否
是否达到温度上限
是 停止加热
启动异常状态报警
图 4 控制器程序流程图
Fig.4 controller program flow chart
4 仿真分析
利用 MATLAB 分别对本文提出的控制方法及常
realizes a linear increase of temperature in the whole working process. Because of its simple control algorithm,
parameters being easily designed and optimized and high control precision, it is especially suitable for the design
(1)开始时, e 较大，取较大的 K p 以提高响应速
度, KI = 0 防止积分饱和，适当的 Kd 以减小超调； (2)在调节中期,取适中的 KI 、 Kd ，以保证一
定的响应速度及避免超调；
(3)在调节后期，增大 K p 以减小静差，适当增
大 KI 提高稳定性，适当减小 Kd ,以防止输出产生振
of low cost temperature linear controller. Results of the MATLAB simulation verify its feasibility.
Key words: Temperature linear control; Embedded system; Variable arguments PID control; Long cycle integral
2.2 温度检测电路 本文采用热电阻 PT100 作为温度传感器，利用
其三线制接法构成电阻桥的一只桥臂，将温度转换 为桥臂中点电压差信号，并通过仪用运放电路将其 进一步放大后提供给单片机 A/D 输入端。 2.3 功率输出电路
加热功率的输出是利用交流调功电路实现的。 微控制器 I/O 输出引脚连接至过零触发的光耦可控 硅芯片 MOC3041 输入端，芯片输出连接双向可控 硅。通过控制固定周期内的可控硅的通断时间，控 制器间接地控制了电阻丝的加热功率。
the control strategy that control system is designed based on the temperature increasing velocity variable
arguments PID control, even in two different requires. And then, by using long cycle integral regulation, it
2 控制器系统硬件设计
2.1 系统设计框图 控制器电路以 PIC16F877A 为控制核心，包含
了温度检测电路、微控制器、功率输出电路、功能 设定按键、数码管温度显示电路及异常状态报警电 路 6 个部分。系统结构框图如线性升温控制器系统结构框图
Fig.1 block diagram of temperature linear control system
即 k 为小于或等于 i / N 的最大整数； T0 为加热对象
初始温度； ∆T ' 为理想情况下 TSL 时间温度上升值。
这种控制方式下，相当于在温升速率控制闭环内
以固定周期加入一定强制积分补偿量，从而加快了控
制量 u 'i 的调整速度。由于 TSL 的值远大于 TS ，所以
这种积分作用不强，不会引起输出的较大超调和振
Design of Temperature Linear Controller Based on PIC MCU
CHENG Guang-xin, DUAN Jian-hua
(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: In order to meet the temperature control demands in softening test, this paper presents a design method
在算法的实现中对硬件电路的要求进一步提高，从 而导致了这些方法在低成本控制器的设计很难得到 应用。本文以温升速率的变参数 PID 控制器设计为 基础，分别对两种线性控温要求提出易于参数整定 和优化的控制器设计方法，在保证控制性能的前提 下简化了系统设计，从而为低成本线性升温控制器 的设计提供了一种可行的参考方案。
of temperature linear controller that based on MCU PIC-16F877A. A thermal resistance is used to form a bridge
for temperature detecting, and AC power regulator is used in the output power control circuit. This paper adopts
regulation
1引言
通常对温度的控制分为以下两种形式：恒温控 制和使温度按照某种规定的程序变化。其中线性升 温控制属于后者，并被广泛应用于软化点参数的测 量实验中。基于嵌入式系统的线性升温控制器由于 采用了数字化控制，因此电路结构简单，控制方法 灵活。在控制策略上，数字式 PID 控制应用广泛， 然而由于温度控制中被控对象通常为惯性并且大滞 后环节，常规方法设计的控制器很难达到满意的控 制效果[1]。针对温度控制器中的 PID 参数设计有文 献提出了很多优化方法，如参数自整定模糊 PID[2]， IMC-PID[3]等。优化后的 PID 控制器性能得到了显 著的改善，然而随之控制的算法也变得非常复杂，
到当前温升速率偏差 ei ，如式（1）所示，利用 ei 并 根据式（2）所示的数字 PID 算法即可得到控制量 ui 。
ei = ∆T * − ∆Ti
（1）
i
∑ ui = KP × ei + KI × e j + KD × (ei − ei−1) （2） j=1 这种控制器的设计由于是基于常规数字 PID 控
KD =2。温升速率变参数 PID 控制仿真结果如图 5 所
示。其次，在温升速率控制器设计的基础上引入温度
的长周期积分调节，选取
TSL
=20s，
K
' I
=0.2。全程线
性升温控制器的仿真结果如图 6 中绿色曲线所示。
温度/℃
80
理想温升曲线
70
实际温升曲线
60
50
40
30
20
10
0
0
100 200 300 400 500 600 700 800
数并依据工程设计的方法先预设 PID 的各部分参数 值，然后通过实验将其进一步优化。
在图 2 中，利用当前检温度检测值 Ti 并结合前一 周期采样值 Ti−1 可计算出前一个采样周期 TS 内的温 度变化量 ∆Ti ，温升速率设定值 ∆T * 与 ∆Ti 相减便得
wwwpapereducn到当前温升速率偏差根据式2所示的数字pid算法即可得到控制量fig1blockdiagramtemperaturelinearcontrolsystem22温度检测电路本文采用热电阻pt100作为温度传感器利用其三线制接法构成电阻桥的一只桥臂将温度转换为桥臂中点电压差信号并通过仪用运放电路将其进一步放大后提供给单片机输入端
规温度、温升速率双闭环控制方法进行仿真。在设定
加热对象的传递函数为 G(s) = 0.1 e−20s 时，控 25s +1
温要求为： T0 =0℃, ∆T * =0.1℃/s。
控制方法及参数：（1）基于温升速率控制并引
入长周期积分调节：首先，针对温升速率进行变参数
PID 设计，选取 TS =2.5s，在 ei ＞0.1℃/s 时，KP =10， KI =0，KD =4， 在 ei <0.1℃/s 时，KP =15，KI =1.5，
3 线性升温控制策略
3.1 全程线性升温控制器设计
一般情况下，可将线性升温控制系统的控制过 程分为调整及稳态两个阶段。如果不对调节过程做 特殊要求，仅需保证稳态时温度的线性升高，可采 取图 2 所示的以温升速率为控制器给定的单闭环数 字 PID 控制方法。
∆T *
ei
ui
Ti
∆Ti
图 2 温升速率 PID 控制的系统框图
荡[7-10]。
PID 参数的优化可以显著提高系统的动态响 应，并消除稳态温升速率误差。然而，由于调整过
程的存在，稳态时的实际温升曲线与理想曲线不可
避免的出现了偏移。本文在温升速率变参数 PID 控 制器设计的基础上，通过引入温度的长周期积分调
节实现了全程的线性升温控制。控制器将积分过程
分为积分分离和正常积分两个阶段，同时积分控制
的控制量 u 'i 。此时刻，控制器中变量间的关系如式
（3）-（6）所示：
T * = T0 + k ×TSL × ∆T ' （3）
e 'k = T * − Tk
（4）
k
∑ u1k
=
K
' I
×
e 'm
（5）
m=1
u 'i = u1k + ui
（6）
其中：TSL = N ×TS ，N 为选定常数；k = [i / N ] ，
相对于温升速率控制闭环中的采样周期 TS ，控 制器另选取一个较长的控制周期 TSL ，在每间隔 TSL
时刻采样当前温度值并与理想情况下此时刻的温度
值 T * 比较，得到误差 e 'k ， e 'k 通过一个积分控制器
2
中国科技论文在线
得到控制量 u1k ， u1k 与 ui 相加后作为后级功率输出
荡。
3.2 控制器程序流程
控制器的程序流程如图 4 所示，在加热初期采 用积分分离控制，从而避免了积分的饱和，同时通 过 PD 控制，使温度缓慢上升，当加热到设定时间 后启动积分控制；此后，利用短周期的温升速率变 参数 PID 控制对控制量进行快速的调整，同时由长 周期积分对温升曲线进行动态校正，在稳态时实现 输出温度对理想温升曲线的无误差跟随。
中国科技论文在线
基于 PIC 单片机的线性升温控制器设计
程广欣 段建华
(哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001)
摘 要: 本文针对软化点测试实验过程中对温度的控制要求，提出了一种基于 PIC16F877A 单片机的线性 升温控制器设计方案。控制器利用热电阻搭建的桥式测温电路进行温度检测，根据预设的升温控制算法通 过交流调功电路调节加热功率。在控制策略上，本文针对线性控温要求采用了以温升速率的变参数 PID 控 制器设计为主的方法，并通过引入温度的长周期积分调节解决了温升曲线全程线性化的问题。由于这种方 法算法实现简单，控制器参数易于设计和优化，同时控制精度较高，所以非常适合应用在低成本线性升温 控制器设计中。利用 MATLAB 对此方法进行了仿真实验，进一步验证了该方法的可行性。 关键词: 线性升温控制；嵌入式系统；变参数 PID 控制；长周期积分调节 中图分类号: TP273
Fig.2 temperature increasing velocity PID control system
由于采用了数字式控制，所以在控制器设计中
要涉及到参数的离散化及采样周期 TS 的选取。其
中，需要参考到加热器的最大加热功率、温升速率 设定值、温度的检测的滞后时间等参数。在确定了
TS 后，由交流加热电源电压、加热对象的物理等参
环节也分为两部分：温升速率变参数 PID 控制环中 较短周期的积分控制以及针对于温度误差采取的较
长周期的积分控制。引入温度长周期积分调节后的
系统框图如图 3 所示。
∆T*
ei
ui
u 'i
Ti
e 'i
u1i
T*
∆Ti
图 3 引入温度的长周期积分调节后的系统框图
Fig.3 system diagram after introduce long cycle integral regulation