PID方式控温实例

一个实用的单片机PID方式控温实例§1：基本情况本例中控制对象是一款小型专用工业烘箱要求恒温范围：室温--300℃恒温精度：±1℃（其它指标略）§2：控制器硬件（参考原理图）①.单片机采用(C51系列)TI公司的MCS1210Y4（内部有8通道24位AD转换器）串行口在线编程②.前向通道温度信号（来自烘箱的Pt100电阻信号）经INA118放大送入AD通道CH0③.后向通道I/O口驱动光耦MOC-3061，再驱动大功率双向可控硅输出④.键盘up递增按钮和down递减按钮，设置目标温度⑤.LED（3位）显示温度值（软件切换显示目标温度或采样温度）⑥.电源+5V单电源§3：软件介绍（由C语言编写）①.流程采样当前温度--PID运算--PWM（占空比式）输出②.温度采样采样周期是一个很重要的参数其确定取决于烘箱的固有响应特性参数（比如纯滞后时间θ以及响应时间常数τ）一般值在4--20秒之间（例中取16秒）③.PID运算每采样一次之后进行一次PID运算，得到一个输出量，供输出函数调用.为了下面叙述方便先定义几个变量定义:T_target表示目标温度T_real表示当前温度T_diff表示当前温差并且T_diff=T_target-T_realPID运算表达式如下PWM_OUT=P_OUT+I_OUT+D_OUT+P_H;（求代数和）其中P_OUT=KP*(T_diff)称为比例项，KP是比例系数,比例项的作用是纠正偏差.比例项输出等于比例系数乘当前温差(原理图)I_OUT=KI*Σ(diff)称为积分项，KI是积分系数,积分项用于消除系统稳态误差Σ(diff)含义是由当前算起前面N次采样温差的和(例中N取20）D-_OUT=KD*Δdiff称为微分项，KD是微分系数,微分项用于减小系统超调量，增加系统稳定性.(Δdiff=当前温差-上次温差）P_H=KC*（T_target）称为维持功率项,达温后（其它项均趋于0）此项起抵消散热维持温度的作用，可增加系统稳定性.KC是维持功率系数如果约定满功率值为100，停止输出功率值为0那末PWM_OUT的取值范围就确定为0--100主要是为了后面编制输出函数时方便简明，直接调用PWM_OUT作为输出占空比的百分数）后面整定系数时就要兼顾PWM_OUT的取值范围§4.源程序（部分）#defineKP3.0//比例系数#defineKI0.3//积分系数#defineKD200.0//微分系数#defineKC0.1//维持功率系数#defineT_c16//采样周期(单位:秒)sbitpid_port=P3^5;//控制输出端口floatT_target=0;//目标温度floatT_real=0;//当前温度floatPWM=0;//输出控制量1-100bitread_AD_enable=0;//PID运算允许标志位//T0定时器初始化voidTimer0_Init(){TMOD|=0x01;TF0=0;TR0=1;IE|=0x02;}//读取AD转换值并刻度voidread_AD(void){intdelta_ad;unsignedcharad[3];ad[0]=ADRESH;ad[1]=ADRESM;ad[2]=ADRESL;delta_ad=ad[0]*0x100+ad[1]-0x23cb;//？？？if(delta_ad=0)delta_ad=0;T_real=(float)delta_ad/70;//当前温度}//*--------PID运算函数voidpid(void){staticfloatdiff[20]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//静态变量第n次温差staticfloatsum_diff=0;//Σ(diff)温差求和积分staticintcurr_=0;//20次采样记数floatp_out,i_out,d_out,temp;floatpwm_0;//维持功率temp=diff[curr_];//记录上一次温差供微分用if(curr_+1=20)curr_=0;//20次采样elsecurr_+=1;sum_diff-=diff[curr_];//减去最老的一次温差值diff[curr_]=T_target-T_real;//当前温差sum_diff+=diff[curr_];//加上最新的一次温差值，即当前p_out=KP*diff[curr_];//比例项输出比例x当前温差i_out=KI*sum_diff;//积分项输出积分系数x积分值d_out=KD*(diff[curr_]-temp);//微分项输出微分系数x微分值pwm_0=KC*T_target;//维持功率项维持系数x设定温度if(i_out100)i_out=100;//积分分离防止积分饱和if(i_out-100)i_out=-100;PWM=p_out+i_out+d_out+pwm_0;//总输出量if(PWM0)PWM=0;//小于0时为0elseif(PWM=100)PWM=100;//大于100时为100}//输出函数voidPWM_OUT(floatPWM){staticunsignedchart=1;//t=(1—100)周期为4秒静态变量40ms调用一次即4秒分成100份unsignedcharlimit;//pid_value输出百分比limit=(unsignedchar)PWM;//强制转换if(t=limit)pid_port=0;//加热elsepid_port=1;//停止加热t++;if(t100)t=1;}/**************************************************///T0中断服务程序voidTimer0_ISR()interrupt1using1{staticunsignedintx=0;TH0=(28672)8;//11.0592MHz,interval40mSTL0=(28672+20)&0xff;//+20compensate补尝TF0=0;if((x++)(T_c*25)){x=0;read_AD_enable=1;//PID运算允许标志位}PWM_OUT(PWM);//可控硅输出}/****************************************************主程序----------------------------------------------------*/voidmain(void){//-------程序初始化（略）while(1){if(read_AD_enable==1)//PID运算允许标志位每40ms运算一次PID读一次AD{read_AD_enable=0;read_AD();//读ADpid();//运算PID}}}§5.参数的整定(这大概是最困难而且费时的事)①T_c（采样周期）单从控制精度上考虑，T_c当然是越小越好，但过小占用处理器的运算时间会加长，从而导致系统成本增加，例中主要考虑被控对象的时间常数τ和纯滞后时间θ，下面用扩充响应曲线法求取τ及θ.a.使系统处于开环，手动直接在被控对象输入端加一个阶跃信号描绘出响应曲线(如图)b.在响应曲线的最大斜率处作切线即可得到θ和τc.选择T_c,当θ占主导地位时，应尽量使θ为T_c的整倍数如θ=2T_c或θ=T_c，当θ比T_c小得多时，可取T_c=τ/10②KP(比例系数)先定为1，做一个简单的只有比例调节的函数，使系统工作于闭环，T_target定在150℃(恒温范围的中间值)纪录响应曲线，如果曲线没有出现振铃则可能是KP偏小，调整KP，使曲线出现轻微振铃.反之振铃幅度过大，则可能是KP偏大.③KC(维持功率系数)借用§5.②中的曲线（如下图）根据图中所示由KC*150=PWM_H导出KC④KI(积分系数)KI的选取与T_c和积分时长有关,回过头看源程序PID运算函数中有一个静态数组，记录过去t时刻到当前的各个温度采样值.每一次采样之后都要更新（淘汰掉最早的采样值，加入当前采样值）.积分时长=T_c*采样个数（即数组大小[SIZE]）积分时长的选择一般使它大于纯滞后时间θ即可，反过来通过T_c和θ可以确定数组的大小[SIZE],接着套用下式就可以大致确定KI了.KI*SIZE=10%*满功率值⑤KD(微分系数）Kd取值大致为纯滞后时间θ（比如θ=200秒，KD先取200，后根据实验在调整）以上的步骤可能要反复进行多次，各个系数也要作相应的调整.这里我介绍一个站长编写的并已成功应用的调试软件HUANENG.EXE专用于串行口数据分析绘图，可同时描绘8条曲线，（VC编写）使用非常简单，只需在上面源程序中pid()函数末尾加上几行数据打印输出的语句比如：printf(CH0=%x\nCH1=%x,T_real,PWM);通过串行口接到计算机,打开该软件即可.界面如下图统调中记住:增大KP，会加快系统响应，减小静差，但超调量增大，稳定性变差.减小KI，削弱积分作用，系统超调量变小，但消除静差的时间长.增大KD,可减小超调量，稳定性好，但系统响应速度变慢.