温度控制的PID算法-及C程序实现

1、温度控制的PID算法-及C程序 实现温度控制与PID算法温度控制与PID算法j较为复杂，下面结合 实际浅显易懂的阐述一下 PID控制理论，将温 度控制及PID算法作一个简单的描述。1.温度控制的框图般：诧驱曬这是一个典型的闭环控制系统，用于控 制加热温区的温度（PV）保持在恒定的温度 设定值（SV）。系统通过温度采集单元反馈回来 的实时温度信号（PV）获取偏差值（EV）, 偏差值经过PID调节器运算输出，控制发热 管的发热功率，以克服偏差，促使偏差趋近于零。例如，当某一时刻炉内过 PCB板较多， 带走的热量较多时，即导致温区温度下降，这时，通过反馈的调节作用，将使温度迅速回升其调节过程如下:P

2、I匸调节拣凰腴世电諜与黑爲菅 愉山功率温度控制的功率输出采用脉宽调制的方法。固态继电器SSR的输出端为脉宽可调的电压Uout。当SSR的触发角触发时，电源电 压Uan通过SSR的输出端加到发热管的两端； 当SSR的触发角没有触发信号时，SSR关断 因此，发热管两端的平均电压为Ud=(t/T)* U an=K* U an其中K= t/T，为一个周期T中，SSR触发导 通的比率，称为负载电压系数或是占空比， K 的变化率在01之间。一般是周期T固定不 便，调节t,当t在0 T的范围内变化时，发 热管的电压即在0 Uan之间变化，这种调节方 法称为定频调宽法。下面将要描述的 PID调节器的算式在这里

3、的实质即是运算求出一个 实时变化的，能够保证加热温区在外界干扰的 情况下仍能保持温度在一个较小的范围内变发热管L8KW化的合理的负载电压系数K1<A十SSRL on tInUuL73Uan0_简单的固态继电器加热电路j;w一AKAT脉宽诡制电压输出示意图t2.温度控制的两个阶段温度控制系统是一个惯性较大的系统，也 就是说，当给温区开始加热之后，并不能立即 观察得到温区温度的明显上升；同样的，当关 闭加热之后，温区的温度仍然有一定程度的上 升。另外，热电偶对温度的检测，与实际的温 区温度相比较，也存在一定的滞后效应。这给温度的控制带来了困难。因此，如果在温 度检测值（PV）到达设定值时才关

4、断输出， 可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值， 需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检 测值（PV）未到设定值时即关断输出，则可 能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为 了合理地处理系统响应速度（即加热速度）与 系统稳定性之间地矛盾，我们把温度控制分为 两个阶段。匿段拒艳的功态响应过程（1） PID调节前阶段在这个阶段，因为温区的温度距离 设定值还很远，为了加快加热速度，SSR 与发热管处于满负荷输出状态，只有当 温度上升速度超过控制参数"加速速 率”，SSR才关闭输出。“加速速率”描 述的是温度在单位时间的跨度，反映的 是温度升降的快慢，如上图所示。用“加 速速率”限制温升

5、过快，是为了降低温 度进入PID调节区的惯性，避免首次到 达温度设定值(SV)时超调过大。在这个阶段，要么占空比K=0, SSR 关闭；要么占空比K=100 %, SSR全速输 出。PID调节器不起作用，仅由“加速 速率”控制温升快慢。(2)PID调节阶段在这个阶段，PID调节器调节输出， 根据偏差值计算占空比(0 100%)，保 证偏差(EV)趋近于零，即使系统受到外 部干扰时，也能使系统回到平衡状态。3. PID算法PID控制的原理是基于下面的算式： 输出M(t)是比例项，积分项和微分项的 函数。M(t)匸e(t) + Ke(t)dt +e(t)/dt + Minitla|输出=比侃坝+积

6、分威+微分项亠静企输出项(常数项)其中:M（t）间的函数PID回路的输出，是时KcPID回路的比例增益ePID回路的偏差（设定值（SV）与过程变量（PV）之差）Mi nitialPID回路的静态输出值为了能让数字计算机处理这个算 式，连续算式必须离散化为周期采样偏 差算式，才能用来计算输出值。数字计 算机处理的算式如下：Mn=Kc* 绻 + %* 畤卜 *何-） + MSnlllaL输出=比例项+积分项+徵分项+静态箔出项（常数攻）从这个公式可以看出，积分项是从 第一个采样周期到当前采样周期所有误 差 项的函数，微分项是当前采样和前 一次采样的函数，比例项仅是当前采样 的函数。在数字计算机中，

7、不保存所有 的误差项，其实也不必要。由于计算机从第一次采样开始，每有一个过程采样 值必须计算一次输出值，只需要保存前 一次过程值(PVn-1)和积分项前值。利用 计算机处理的重复性，可以将以上算式 变换为：SV - PVn) + (K：爭(SV - PVJ + MX) M (PI - PV ) + M 閘询输出=比例项+积分项+皺分项+静态输出项(常数项)其中：Mn在第n采样时刻，PID回路的输出计算值SVPID回路设定值PVn在第n采样时刻的过程变量值PVn-1在第n 1采样时刻的过程变量值MX积分前项值MintialPID回路的静态输出值KcPID回路的比例增益KI积分项的比例常数 KI=

8、Kc*Ts / TiTs 是离散化时的采样时间间 隔 Ti 是积分时间参数； KD 微分项的比例常数 KD=Kc * Td / TsTs 是离散化时的采样时间间 隔 Td 是微分时间参数；从上面 PID 的算式，可以分析三个基本 参数 Kc, KI, KD 在实际控制中的作用：1) 比例调节作用：比例项按比例反应系统 的偏差，系统一旦出现了偏差， 比例调节 立即产生调节作用用以减少偏差。 比例作 用大， 可以加快调节， 减少偏差。 但是过 大的比例调节， 使系统的稳定性下降， 甚 至造成系统的不稳定。2) 积分调节作用： 积分项消除系统的稳态 误差， 提高无差度。 只要有偏差， 积分就 进行，

9、直到无偏差时，积分运算才停止， 积分调节项输出一常数值。 积分作用的强 弱取决于积分时间常数 Ti ，Ti 越小，积 分作用越强。积分控制可提高系统的无差 度，但积分项输出响应缓慢， 使得系统调 节时间增长。( 3) 微分调节作用： 微分项反映系统过程变 量的变化率(PVn-1-PVn) / Ts),具有 预见性， 能预见变化的趋势， 因此，能产 生超前的调节作用, 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。在微分时间参数 Td 选择合适的情况下,可以减少超调, 减少调节时间。微分调节对干扰有放大效 果,过强的微分调节,对系统抗干扰不利。 此外,微分项反映

10、的是过程变量的变化 率,而当过程变量没有变化时, 微分调节 输出为零。 微分调节不能单独使用, 需要 与另外两种调节规律相结合, 组成 PD 或 PID 调节器。以上面的推导, C 程序如下/*pid 算法 C 源程序,还有实现 pid 自动调整。 51 用于控制温度 26-100 摄氏度。TIME:2011-07-29 20:15:07*/ #include <stdlib.h>#include "global_varible.h" /* 模块名 : PID* 描述 : PID 调节子程序*采用 PID-PD 算法。在偏差绝对值大于厶e时，用PD算法，以改善动

11、态品质。* 当偏差绝对值小于 e时，用PID算 法，提高稳定精度。*PIDout=kp*e(t)+ki*e(t)+e(t-1)+.+e(1)+kd*e(t )-e(t-1)* 入口 :无* 出口 :无* 改变 :PID_T_Run= 加热时间控制*/*void PID_Math(void)signed long ee1;/偏差一阶/signed long ee2;/偏差二阶signed long d_out; / 积分输出if(!Flag_PID_T_OK)return;Flag_PID_T_OK = 0;Temp_Set = 3700; /温度控制设定值 37.00 度PID_e0 = Te

12、mp_Set - Temp_Now; /本次偏 差ee1 = PID_e0 - PID_e1; /计算一阶偏差/ee2 = PID_e0-2*PID_e1+PID_e2;/计算二阶偏差/一阶偏差的限制范围if(ee1 > 500) ee1 = 500;if(ee1 < -500) ee1 = -500;PID_e_SUM += PID_e0;/偏差之和/积分最多累计的温差if(PID_e_SUM > 200) PID_e_SUM = 200; if(PID_e_SUM < -200) PID_e_SUM = -200; PID_Out = PID_kp * PID_e0

13、 + PID_kd * ee1; /计算 PID 比例和微分输出if(abs(PID_e0) < 200)/如 果 温度相差小于 1.5 度则计入 PID 积分输出if(abs(PID_e0) > 100)/如 果 温度相差大于 1 度时积分累计限制if(PID_e_SUM > 100) PID_e_SUM = 100;if(PID_e_SUM < -100) PID_e_SUM = -100;d_out = PID_ki * PID_e_SUM; / 积 分输出if(PID_e0 < -5)/ 当前温度高于设定温度 0.5 度时积分累计限制 if(PID_e_SUM > 150) PID_e_SUM = 150;if(PID_e_SUM > 0) d_out >>= 1; / 当前温度高于设定温度 0.5 度时削弱积分正输出PID_Out += d_out;/PID 比例 ,积分和微分输出elsePID_e_SUM=0;PID_Out /= 100;/ 恢 复 被PID_Out 系数放大的倍数if(PID_Out > 200) PID_Out=