基于PID法温度控制

2008--2009学年第五学期物理与电子工程学院期中考试卷《自动控制原理》（课程论文等试卷样式）成绩：评语：《基于PID法的温度控制》装订线基于PID法的温度控制摘要：一种新型的PID温度控制系统，该系统采用单片机芯片，可方便对系统加热周期T及PID中的个参数进行线性修改；具有对高低进行报警功能。主要研究PID算法。关键字：单片机；温度控制；PID控制器引言：在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，为了达到所需的精度范围，采用PID控制，对PID的各种参数进行整定以满足不同的场合。一、温度控制器的主要问题及解决方法1、传统的温度控制器的问题传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。2、PID控制解决要解决温度控制器这个问题，采用PID控制技术，是明智的选择。PID控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案，用先进的数码技术通过Pvar、Ivar、Dvar三方面的结合调整，形成一个模糊控制，来解决惯性温度误差问题。然而，在很多情况下，由于传统的温度控制器温控方式存在较大的惯性温度误差，往往在要求精确的温控时，很多人会放弃自动控制而采用调压器来代替温度控制器。但是用调压器来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温。当需要控温的关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压器就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，只有采用PID模糊控制技术，才能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。二、该温控系统的结构和原理：1、系统的结构：系统功能主要实现断水保护和高水位指示、自动保温、自动报警及高温保护功能。用双排数码管分别显示设计与测量温度，保温时间，加热周期及PID的各参数，当测量温度达保温温度时，数码管显示设定温度。当达设定温度时，数码管应该切换到设定的保温时间，并倒计时。控制结构图：2、系统原理：1）、温度采样及转化温度传感器tP100铂热电阻在0~850°C间，其电阻tR和温度T的关系为：)1(20BTATRRt0R：0ºC时的电阻值，为100A=3.90802×1310CoB=-5.802×2710Co由于电阻Rt和温度T之间的关系是非线性的，因此在设计变送器时必须进行线性校正，本系统采用三线制铂热电阻测温电桥电路。输出电压U。与电阻Rt之间成近似线性关系。在控制精度范围内有效解决非线性问题。2）、数据显示和键盘控制当系统工作时，数码管显示设定温度和检测温度，到达设定温度范围内采用PID控制算法对温度进行有效控制，保温倒计时。用串行方式，可有效消除扫描显示的抖动问题。可通过键盘对PID及加热周期参数进行在线设定和修改。三、系统控制算法：1、系统中PID控制算法的设计PID控制目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一定的范围内。在控制系统中，首先将需要控制的被测参数有传感器产生一定的参数后与预先设定的值比较，把比较得到的差值信号经一定的运算规律得到相应的控制，不停地进行上述的工作，从而达到自动调节的目的。PID控制原理的基本方法应系统的不同而不同。本系统采用的积分分离PID控制算法，控制量输出为位置式的输出形式。采用此法即保持了积分作用又减少的超调量，是控制有较大改善。)]2()1(2)([*)(*)]1()([*)1()(kekekeKkeKkekeKkUkUdipe(k)、e(k-1)、e(k-2)为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。2、系统中PID设计的优点和方法这种方法的好处在于只需保持前三个时刻的差值信号，同时对控制输出量的初始值没有要求，所以很快就可以进入稳定控制过程。对于加热温度的控制可以采用调节电压或者在一定的时间循环周期内的供电时间比例调节加温控制温度。本系统采用的是调节加热时间比例的方法:首先设计一个标准加热周期，比如2分钟，系统就在这个2分钟周期内对输出进行控制，也就是说这个两分钟加热多少时间。更据计算可以让加温时间在0---2分钟内变化，比如计算所得在这一个周期内加热1分10秒，经过2分钟后再检测被加热物体的温度，通过计算加热1分5秒等等，在这除了加热外就是不加热，等待下一个周期的到来，再进行实际测量计算下一个周期系统的输出量，周而复始，不断地修正输出量，以达到对温度的有效控制。增量式PID算法流程图：四、PID控制器及其算法介绍：比例加积分加微分控制器简称PID控制器，它的输出信号m(t)，与输入信号e(t)和它的积分微分成比例，即)()()()(0teKdtteTKteKtmptipp模拟PID控制系统框图：当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。比例参数P设定值越大，控制灵敏度越低，设置值越小。控制灵敏度越高。例如比例参数P设定为4%，表示测量值偏离给定值4%时，输出控制量变化100%。积分运算的目的是消除偏差。只要偏差存在，积分作用将控制向量向偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒。比例作用和几分作用是对控制结果的修正作用，响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，是控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。PID模块的温度控制精度主要受P、I、D这三个参数影响。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。比例运算（P）比例控制是建立与设定值（SV）相关的一种运算，并根据偏差在求得运算值（控制输出量）。如果当前值（PV）小，运算值为100%。如果当前值在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到SV和PV匹配（即，直到偏差为0），此时运算值回复到先前值（前馈运算）。若出现静差（残余偏差），可用减小P方法减小残余偏差。如果P太小，反而会出现振荡。积分运算（I）将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。积分强度用积分时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。积分时间越小，积分运算的校正时间越强。但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。微分运算（D）比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。微分运算可弥补这些缺陷。在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了一个很大的运算值，以恢复原始状态。微分运算采用一个正比于偏差变化率（微分系数）的运算值校正控制。微分运算的强度由微分时间表示，微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需的时间。微分时间值越大，微分运算的校正强度越强。五、系统中PID参数的选择由于PID模块的温度控制精度主要受pK、iK、dK这三个参数影响，所以本例中采用了一种简单实用的方法：比如加热范围为0~200CO，若要得到0~200之间的加温比例数据，只用考虑简单的比例控制算法，控制范围为200度，则设定温度与实际温度的差的最大值就是200度，那么就用它去输出，这是的参数Kp=1,当为了提高加热速度，而是受控的区域缩小，例如只控制40度范围，如果目标温度设定为130，这个时候就把计算得到的数字乘以5就得到0~200的数据了。假定当前实际测量温度为115度，则130-115=15，再乘以5得75，这就是作为输出的比例数据。此时Kp=5，再加入微分和积分量，这时Kp可以基本上保持不变。这样就确定了Kp=基本时间总周期/控制范围。而对于Ki、Kd就可以在实验中逐渐摸索确定，最终达到稳定点。最后还要注意，在计算结果交付于输出之前还要进行修改，比如当计算结果大于200度时按200输出，小于零时按零输出。六、系统实验结果对系统进行温度控制测得的结果所描绘的曲线图形。横坐标为采样时间（分钟），纵坐标为控制温度（设定温度110Co）。控制效果不错。七、论文总结：PID控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动控制量以使被控系统朝着设定平衡状态过度，最后达到控制范围精度内稳定的动态平衡状态。对于PID控制器和算法在实践中可以根据工程控制的具体情况及对超调量、稳定性、响应速度的不同要求，来调整PID控制器三个参数的取值范围，从而得到不同的控制精度和控制效果。我论文主要通过温度控制研究PID算法的主要特点，通过了解PID在温度控制中的作用，更加深自动控制中PID的学习，PID作为工业上最长用的方法，是很重要的一种方法，所以我们以后一定会更加深入学习这种算法。八、参考文献《全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选》北京理工大学出版社2003.3《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》北京理工大学出版社2004.8《pid控制温度控制器原理》《自动控制原理》科学出版社2002.7《基于数字PID的高精度恒温控制系统的实现》