PID溫度控制試驗

本文格式為Word版，下載可任意編輯——PID溫度控制試驗PID溫度控制試驗

PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量對系統(tǒng)進行控制。當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制。

PID調理控制是一個傳統(tǒng)控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場，不同的現(xiàn)場，僅僅是PID參數(shù)應設置不同，只要參數(shù)設置得當均可以達到很好的效果。本試驗以PID溫度控制為例，通過此試驗可以加深對檢測技術、自動控制技術、過程控制等專業(yè)知識的理解。

一、試驗目的1、了解PID控溫原理

2、把握正校試驗的方法，并用正交試驗法來確定最正確P、I、D參數(shù)3、會求根據(jù)溫度變化曲線求出相應的超調量、穩(wěn)態(tài)誤差和調理時間的方法二、儀器與用具

加熱裝置、加熱控制模塊、單片機控制及顯示模塊、配套軟件、電腦。三、試驗原理

1、數(shù)字PID控制原理

數(shù)字PID算法是用差分方程近似實現(xiàn)的,用微分方程表示的PID調理規(guī)律的理想算式為:

1de(t)u(t)?KP[e(t)??e(t)dt?TD]（1）

TI0dt單片機只能處理數(shù)字信號，上式可等價于:

tTUn?KP[en?TI?ei?i?0nTD(en?en?1)]（2）TTTen?D(en?2en?1?en?2)]（3）TIT（2）式為位置式PID算法公式。也可把（2）式寫成增量式PID算法形式:

?Un?Un?Un?1?KP[en?en?1?其中,en為第n次采樣的偏差量；en-1為第n-1次采樣的偏差量；T為采樣周期；TI為積分時間；

TD為微分時間；KP為比例系數(shù)。

2、PID溫度控制的框圖

設定溫度(SV)溫度偏差(EV)(EV=SV-PV)PID調理器按周期調理脈沖寬度輸出加熱裝置實際溫度(PV)圖1PID溫度控制的框圖

溫度PID控制是一個反饋調理的過程:比較實際溫度(PV)和設定溫度(SV)的偏差,偏差值經過PID調理器運算來獲得控制信號,由該信號控制加熱絲的加熱時間,達到控制加熱功

率的目的,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的溫度控制。其調理過程如下：

溫度偏差(EV)PID調理器輸出的脈沖寬度可控硅導通時間與發(fā)熱管輸出功率加熱裝置溫度實際溫度(PV)

3、PWM控溫原理

溫度控制的功率輸出我們采用脈沖寬度調制原理(PWM)來實現(xiàn)。如圖2所示，雙向可控硅的輸出端為脈寬可調的電壓U。當雙向可控硅的觸發(fā)角觸發(fā)時，電源電壓UAN通過雙向

OUT

可控硅的輸出端加到發(fā)熱管的兩端；當雙向可控硅的觸發(fā)角沒有觸發(fā)信號時，雙向可控硅關斷。因此，發(fā)熱管兩端的平均電壓為UOUT?t?UAN?K?UAN其中K=t/T，為一個周期TT中，雙向可控硅觸發(fā)導通的比率，稱為負載電壓系數(shù)或是占空比，K的變化率在0－1之間。一般是周期T固定不便，調理t,當t在0－T的范圍內變化時，發(fā)熱管的電壓即在0－UAN之間變化，如圖3所示，這種調理方法稱為定頻調寬法。將位置式或者增量式PID算法的結果Un(?Un)對模擬量的連續(xù)控制轉化為Un(?Un)對時間量的連續(xù)控制，使用雙向可控硅直接控制加熱管工作電流的導通與斷開。

TriggerUOUT雙向可控硅UAUU加熱管

圖2雙向可控硅加熱控制電路

圖3脈寬調制電壓輸出示意圖

4、溫度控制的兩個階段

溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng)，也就是說，當給溫區(qū)開始加熱之后，并不能馬上觀測得到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣的，當關閉加熱之后，溫區(qū)的溫度依舊有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實際的溫區(qū)溫度相比較，也存在一定的滯后效應。這給溫度的控制帶來了困難。因此，假使在溫度檢測值（PV）到達設定值時才關斷輸出，

可能因溫度的滯后效應而長時間超出設定值，需要較長時間才能回到設定值；假使在溫度檢測值（PV）未到設定值時即關斷輸出，則可能因關斷較早而導致溫度難以達到設定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應速度（即加熱速度）與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾，我們把溫度控制分為兩個階段。

圖4溫度控制的動態(tài)響應過程

（1）PID調理前階段

在這個階段，由于溫區(qū)的溫度距離設定值還很遠，為了加快加熱速度，雙向可控硅與發(fā)熱管處于滿負荷輸出狀態(tài)，只有當溫度上升速度超過控制參數(shù)“加速速率〞，雙向可控硅才關閉輸出?！凹铀偎俾狮暶枋龅氖菧囟仍趩挝粫r間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如圖4所示。用“加速速率〞限制溫升過快，是為了降低溫度進入PID調理區(qū)的慣性，避免首次到達溫度設定值（SV）時超調過大。

在這個階段，要么占空比K=0,雙向可控硅關閉；要么占空比K=100％,雙向可控硅全速輸出。PID調理器不起作用，僅由“加速速率〞控制溫升快慢。

（2）PID調理階段

在這個階段，PID調理器調理輸出，根據(jù)偏差值計算占空比（0－100％），保證偏差(EV)趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。四、試驗內容

1、采用正交試驗的方法來確定PID參數(shù)。

初始時，各PID參數(shù)取值為：KP={1,4,10}，KI={0.1,0.5,1.0}，KD={1,5,10}，PID參數(shù)整定的目的是找到一組使溫控系統(tǒng)的超調值小、響應快、穩(wěn)態(tài)精度高的參數(shù)值，由于初始試驗各組參數(shù)所產生的超調值相差不大，因此，將穩(wěn)定在70℃±1℃的時間作為本次試驗的試驗指標。

表1正交試驗的設計

試驗號123456789

空列111222333A1(1)2(4)3(10)1(1)2(4)3(10)1(1)2(4)3(10)B1(0.1)2(0.5)3(1.0)2(0.5)3(1.0)1(0.1)3(1.0)1(0.1)2(0.5)C1(1)2(5)3(10)3(10)1(1)2(5)2(5)3(10)1(1)試驗結果2、根據(jù)正交試驗結果確定的最正確KP，KI，KD參數(shù)，研究PID控溫的自適應能力。先設置的目標溫度為50oC穩(wěn)定后增加到70oC，進行PID參數(shù)自適應能力測試。五、數(shù)據(jù)處理要求

1、采用直觀分析法或方差分析法確定KP，KI，KD三個因素對該控制系統(tǒng)品質指標影響顯著的先后順序，并得出最正確的KP，KI，KD參數(shù)。

2、利用最正確的PID參數(shù)，測出溫度變化曲線，并求出相應的超調量、穩(wěn)態(tài)誤差和調理時間。

3、評價該最正確的KP，KI，KD參數(shù)對該控制系統(tǒng)的自適應能力。六、思考題

1.比例、積分、微分在溫度PID控制試驗中的作用以及各系數(shù)對控制效果的影響。2.如何采用直觀分析法或方差分析法確定影響因素的對該控制系統(tǒng)品質指標影響顯著的先后順序，并得出最正確的影響因素的值？

附錄：

1、PID溫度控制試驗系統(tǒng)V1.0的使用說明

使用說明:1、設置好COM口，X、Y軸的范圍。2、設置目標溫度，PID控量及KP，KI，KD值等參數(shù)。3、用USB線與單片機主板連接，開啟單片機電源開關，然后點擊“參數(shù)設置〞按鈕，把設置好的參數(shù)發(fā)送給單片機,若右邊的顏色框變綠表示發(fā)送成功。4、點擊“開始測溫〞按鈕，開始測量溫度，若右邊的顏色框變綠表示通信正常,并顯示測溫曲線。5、試驗完成后點“數(shù)據(jù)保存〞或“保存曲線〞按鈕完成本組試驗數(shù)據(jù)的測量。

2、PID控制器調試方法比例系數(shù)的調理

比例系數(shù)P的調理范圍一般是：0.1--100.假使增益值取0.1，PID調理器輸出變化為十分之一的偏差值。假使增益值取100，PID調理器輸出變化為一百倍的偏差值。

可見該值越大，比例產生的增益作用越大。初調時，選小一些，然后漸漸調大，直到系統(tǒng)波動足夠小時，再該調理積分或微分系數(shù)。過大的P值會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)振蕩；過小的P值又會使系統(tǒng)反應遲鈍。適合的值應當使系統(tǒng)由足夠的靈敏度但又不會反應過于靈敏，一定時間的遲鈍要靠積分時間來調理。積分系數(shù)的調理

積分時間常數(shù)的定義是，偏差引起輸出增長的時間。積分時間設為1秒，則輸出變化100%所需時間為1秒。初調時要把積分時間設置長些，然后漸漸調小直到系