基于PID法溫度控制(共12頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上裝 訂 線 2008-2009學(xué)年第五學(xué)期物理與電子工程學(xué)院期中考試卷自動控制原理 （課程論文等試卷樣式） 成績：評語： 基于PID法的溫度控制基于PID法的溫度控制摘要：一種新型的PID溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)芯片，可方便對系統(tǒng)加熱周期T及PID中的個(gè)參數(shù)進(jìn)行線性修改；具有對高低進(jìn)行報(bào)警功能。主要研究PID算法。關(guān)鍵字：單片機(jī)；溫度控制；PID控制器引言：在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學(xué)反應(yīng)中，溫度往往是一個(gè)很重要的量，為了達(dá)到所需的精度范圍，采用PID控制，對PID的各種參數(shù)進(jìn)行整定以滿足不同的場合。一、溫度控制器的主要問題及解決方法1、傳統(tǒng)的溫

2、度控制器的問題傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時(shí)，通常達(dá)到1000以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高。一般進(jìn)行溫度控制的電器機(jī)械，其控制溫度多在0-400之間，所以，傳統(tǒng)的溫度控制器進(jìn)行溫度控制期間，當(dāng)被加熱器件溫度升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器會發(fā)出信號停止加熱。但這時(shí)發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度會高于400，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進(jìn)行加熱，即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱，被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當(dāng)下降到設(shè)定溫度的下限時(shí)，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器

3、件需要一定的時(shí)候，這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定。通常開始重新加熱時(shí)，溫度繼續(xù)下降幾度。所以，傳統(tǒng)的定點(diǎn)開關(guān)控制溫度會有正負(fù)誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個(gè)熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題，使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。 2、PID控制解決要解決溫度控制器這個(gè)問題，采用PID控制技術(shù)，是明智的選擇。PID控制，是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進(jìn)的數(shù)碼技術(shù)通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結(jié)合調(diào)整，形成一個(gè)模糊控制，來解決慣性溫度誤差問題。 然而，在很多情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫控時(shí)，很多人

4、會放棄自動控制而采用調(diào)壓器來代替溫度控制器。但是用調(diào)壓器來代替溫度控制器時(shí)，必須在很大程度上靠人力調(diào)節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后靠相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱，勉強(qiáng)運(yùn)作，但這決不是自動控溫。當(dāng)需要控溫的關(guān)鍵很多時(shí)，就會手忙腳亂。這樣，調(diào)壓器就派不上用場，因?yàn)榭咳耸植荒芡瑫r(shí)調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關(guān)鍵，只有采用PID模糊控制技術(shù)，才能解決這個(gè)問題，使操作得心應(yīng)手，運(yùn)行暢順。二、該溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理：1、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)功能主要實(shí)現(xiàn)斷水保護(hù)和高水位指示、自動保溫、自動報(bào)警及高溫保護(hù)功能。用雙排數(shù)碼管分別顯示設(shè)計(jì)與測量溫度，保溫時(shí)間，加熱周期及PID的各參數(shù)，當(dāng)測量溫度達(dá)保溫溫度

5、時(shí)，數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度。當(dāng)達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，數(shù)碼管應(yīng)該切換到設(shè)定的保溫時(shí)間，并倒計(jì)時(shí)。 控制結(jié)構(gòu)圖：2、系統(tǒng)原理：1）、溫度采樣及轉(zhuǎn)化 溫度傳感器100鉑熱電阻在0850°C間，其電阻和溫度T的關(guān)系為： ：0ºC時(shí)的電阻值，為100 A=3.90802× B=-5.802×由于電阻Rt和溫度T之間的關(guān)系是非線性的，因此在設(shè)計(jì)變送器時(shí)必須進(jìn)行線性校正，本系統(tǒng)采用三線制鉑熱電阻測溫電橋電路。輸出電壓U。與電阻Rt之間成近似線性關(guān)系。在控制精度范圍內(nèi)有效解決非線性問題。2）、數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和檢測溫度，到達(dá)設(shè)定溫度范圍內(nèi)采用PID

6、控制算法對溫度進(jìn)行有效控制，保溫倒計(jì)時(shí)。用串行方式，可有效消除掃描顯示的抖動問題?？赏ㄟ^鍵盤對PID及加熱周期參數(shù)進(jìn)行在線設(shè)定和修改。三、系統(tǒng)控制算法：1、系統(tǒng)中PID控制算法的設(shè)計(jì)PID控制目的就是將器件的工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。在控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)有傳感器產(chǎn)生一定的參數(shù)后與預(yù)先設(shè)定的值比較，把比較得到的差值信號經(jīng)一定的運(yùn)算規(guī)律得到相應(yīng)的控制，不停地進(jìn)行上述的工作，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。PID控制原理的基本方法應(yīng)系統(tǒng)的不同而不同。本系統(tǒng)采用的積分分離PID控制算法，控制量輸出為位置式的輸出形式。采用此法即保持了積分作用又減少的超調(diào)量，是控制有較大改善。 e

7、(k)、e(k-1)、e(k-2)為此時(shí)刻、前一時(shí)刻、再前一時(shí)刻的差值信號。2、系統(tǒng)中PID 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和方法這種方法的好處在于只需保持前三個(gè)時(shí)刻的差值信號，同時(shí)對控制輸出量的初始值沒有要求，所以很快就可以進(jìn)入穩(wěn)定控制過程。對于加熱溫度的控制可以采用調(diào)節(jié)電壓或者在一定的時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)的供電時(shí)間比例調(diào)節(jié)加溫控制溫度。本系統(tǒng)采用的是調(diào)節(jié)加熱時(shí)間比例的方法:首先設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)加熱周期，比如2分鐘，系統(tǒng)就在這個(gè)2分鐘周期內(nèi)對輸出進(jìn)行控制，也就是說這個(gè)兩分鐘加熱多少時(shí)間。更據(jù)計(jì)算可以讓加溫時(shí)間在0-2分鐘內(nèi)變化，比如計(jì)算所得在這一個(gè)周期內(nèi)加熱1分10秒，經(jīng)過2分鐘后再檢測被加熱物體的溫度，通過計(jì)算加熱1分

8、5秒等等，在這除了加熱外就是不加熱，等待下一個(gè)周期的到來，再進(jìn)行實(shí)際測量計(jì)算下一個(gè)周期系統(tǒng)的輸出量，周而復(fù)始，不斷地修正輸出量，以達(dá)到對溫度的有效控制。增量式PID算法流程圖：四、PID控制器及其算法介紹：比例加積分加微分控制器簡稱PID控制器，它的輸出信號m(t)，與輸入信號e(t)和它的積分微分成比例，即模擬PID控制系統(tǒng)框圖：當(dāng)通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時(shí)，PID控制可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算，從而輸出某個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使測量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動控制的效果。比例運(yùn)算是指輸出控制量與偏差的比例關(guān)系。比例參數(shù)P設(shè)定

9、值越大，控制靈敏度越低，設(shè)置值越小?？刂旗`敏度越高。例如比例參數(shù)P設(shè)定為4%，表示測量值偏離給定值4%時(shí)，輸出控制量變化100%。積分運(yùn)算的目的是消除偏差。只要偏差存在，積分作用將控制向量向偏差消除的方向移動。積分時(shí)間是表示積分作用強(qiáng)度的單位。設(shè)定的積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。例如積分時(shí)間設(shè)定為240秒時(shí)，表示對固定的偏差，積分作用的輸出量達(dá)到和比例作用相同的輸出量需要240秒。比例作用和幾分作用是對控制結(jié)果的修正作用，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進(jìn)行修正，是控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài)，微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位，儀表設(shè)定的微分時(shí)間

10、越長，則以微分作用進(jìn)行的修正越強(qiáng)。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個(gè)參數(shù)影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。比例運(yùn)算（P）比例控制是建立與設(shè)定值（SV）相關(guān)的一種運(yùn)算，并根據(jù)偏差在求得運(yùn)算值（控制輸出量）。如果當(dāng)前值（PV）小，運(yùn)算值為100%。如果當(dāng)前值在比例帶內(nèi)，運(yùn)算值根據(jù)偏差比例求得并逐漸減小直到SV和PV匹配（即，直到偏差為0），此時(shí)運(yùn)算值回復(fù)到先前值（前饋運(yùn)算）。若出現(xiàn)靜差（殘余偏差），可用減小P方法減小殘余偏差。如果P太小，反而會出現(xiàn)振蕩。積分運(yùn)算（I）將積分與比例運(yùn)算相結(jié)合，隨著調(diào)節(jié)時(shí)間延續(xù)可減小靜差。積分強(qiáng)度用積分時(shí)間表示，積分時(shí)間相當(dāng)于積分運(yùn)算值到比例運(yùn)

11、算值在階躍偏差響應(yīng)下達(dá)到的作用所需要的時(shí)間。積分時(shí)間越小，積分運(yùn)算的校正時(shí)間越強(qiáng)。但如果積分時(shí)間值太小，校正作用太強(qiáng)會出現(xiàn)振蕩。微分運(yùn)算（D）比例和積分運(yùn)算都校正控制結(jié)果，所以不可避免地會產(chǎn)生響應(yīng)延時(shí)現(xiàn)象。微分運(yùn)算可彌補(bǔ)這些缺陷。在一個(gè)突發(fā)的干擾響應(yīng)中，微分運(yùn)算提供了一個(gè)很大的運(yùn)算值，以恢復(fù)原始狀態(tài)。微分運(yùn)算采用一個(gè)正比于偏差變化率（微分系數(shù)）的運(yùn)算值校正控制。微分運(yùn)算的強(qiáng)度由微分時(shí)間表示，微分時(shí)間相當(dāng)于微分運(yùn)算值達(dá)到比例運(yùn)算值在階躍偏差響應(yīng)下達(dá)到的作用所需的時(shí)間。微分時(shí)間值越大，微分運(yùn)算的校正強(qiáng)度越強(qiáng)。五、系統(tǒng)中PID參數(shù)的選擇由于PID模塊的溫度控制精度主要受、這三個(gè)參數(shù)影響，所以本例中采

12、用了一種簡單實(shí)用的方法：比如加熱范圍為0200，若要得到0200之間的加溫比例數(shù)據(jù)，只用考慮簡單的比例控制算法，控制范圍為200度，則設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差的最大值就是200度，那么就用它去輸出，這是的參數(shù)Kp=1,當(dāng)為了提高加熱速度，而是受控的區(qū)域縮小，例如只控制40度范圍，如果目標(biāo)溫度設(shè)定為130，這個(gè)時(shí)候就把計(jì)算得到的數(shù)字乘以5就得到0200的數(shù)據(jù)了。假定當(dāng)前實(shí)際測量溫度為115度，則130-115=15，再乘以5得75，這就是作為輸出的比例數(shù)據(jù)。此時(shí)Kp=5，再加入微分和積分量，這時(shí)Kp可以基本上保持不變。這樣就確定了Kp=基本時(shí)間總周期/控制范圍。而對于Ki、Kd就可以在實(shí)驗(yàn)中逐漸摸

13、索確定，最終達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)。最后還要注意，在計(jì)算結(jié)果交付于輸出之前還要進(jìn)行修改，比如當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于200度時(shí)按200輸出，小于零時(shí)按零輸出。六、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制測得的結(jié)果所描繪的曲線圖形。橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間（分鐘），縱坐標(biāo)為控制溫度（設(shè)定溫度110）?？刂菩Ч诲e(cuò)。七、論文總結(jié)：PID控制原理的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在控制過程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動控制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定平衡狀態(tài)過度，最后達(dá)到控制范圍精度內(nèi)穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。對于PID控制器和算法在實(shí)踐中可以根據(jù)工程控制的具體情況及對超調(diào)量、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度的不同要求，來調(diào)整PID控制器三個(gè)參數(shù)的取值范圍，從而得到不同的控制精度和控制效果。我論文主要通過溫度控制研究PID算法的主要特點(diǎn)，通過了解PID在溫度控制中的作用，更加深自動控制中PID的學(xué)習(xí)，