ＰＩＤ现场实验整定法在温度控制系统中的运用研究

1、现场实验整定法在温度控制系统中的运用研究         09-06-25 09:10:00     作者：张立众    编辑：studa20摘 要：介绍了PID的三个参数在实际控制系统中的作用、设定与调整应用。提出并验证了系统PID现场实验整定法在基于单片机基于键盘设定的温度控制系统中实现PID控制的可行性。 关键词：温度控制；PID ；现场实验整定法 PID调节是连续系统中技术最成熟,应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根

2、据输入的偏差值按比例、积分、微分的函数关系进行运算。运算结果用于控制输出。 在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活的改变PID结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等，特别在计算机控制系统中，更可以灵活运用，以充分发挥微型机的作用。PID调试最困难的部分是参数的设定与调整，即指系统PID参数整定方法。 本文介绍了PID的三个参数在实际控制中的作用如何设定与调整，及在实际中如何应用。提出了并实际验证了系统PID现场实验整定法在基于单片机基于键盘设定的温度控制系统中实现PID控制的可行性。 1 系统设计原理及功能 本系统采用典型的反馈式温度控制

3、系统，数字控制器的功能由AT89C51单片机实现。温度控制系统由DS18B20单总线传感器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，热敏电阻选用器mf12-26型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为05v标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的pwm波送至ssr,从而改变电烤箱单位时间内电压导通的百分比,从而控制电烤箱加热功率，起到调温的作用。温度控制系统的硬件设计图

4、分别如图1。 1.控制模块：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制器的方案；2.温度采集模块：采用数字式温度传感器DS18B20；3.开关电路：采用固态继电器继电器；4.键盘和显示模块：采用独立式键盘；5.电源模块：采用过滤，滤波，稳压等电路实现。 本温度控制系统的对象是电炉，针对日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。 2 PID参数在实际控制中的作用及设定与调整 （1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系

5、统的不稳定。（2）积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。（3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作

6、用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化是，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。 参数的设定与调整是PID最困难的部分，编程时按经验值设定他们的大概数值，然后通过反复的参数整定才能找到相对比较理想的参数值。面对不同的控制对象参数都不同，所以我们无法提供参考数值，但是我们可以根据这些参数在整个PID过程中的作用原理，来讨论我们的对策。1 加温很迅速就达到目标值，但是温度过冲很大：a）比例系数太大，致使在未达到设定温度过冲很大；b）微分系数过小，致使对对象反应不敏感；2 加温经常达不到目标值，小

7、于目标值的时间较多：a）比例系数过小，加温比例不够；b）积分系数过小，对恒偏差补偿不足；3 基本上能控制在目标上，但上下偏差较大，经常波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，反应措施不利；b）积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；c）设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点；4 受工作环境影响较大，在稍有变化就会引起温度的波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，不能及时反应；b）设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正；选择一个合适的时间常数很重要，要根据我们的输出单元采用什么器件来确定，如果是采用可控硅的，则可设定时间常数的范围就很自由，如果采用继电器的则过于频繁的开关会影

8、响继电器的使用寿命，所以就不太适合采用较短周期。一般的周期设定范围是110分钟较为合适。 3 系统PID参数整定方法及计算 系统整定是指选择调节器的比例度 、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率(0.75-0.9)（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。 工程上得到广泛应用的PID参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，

9、其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后，再作给定位扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。 控制器设计总体指标可以概括为：稳、准、快，均衡调节以Kp、Ki、Kd三参数则可一定程度上满足上述三个指标的要求。在控制初期，关键要克服各环节的滞后，为了避免积分饱和造成较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大

10、一些。在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，Kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失稳。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。 本次测试温度定值，选用PID参数整定方法中的现场实验整定法。现场实验整定法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数Kp，一