温度闭环控制系统的设计与实现

1、情景8：温度闭环控制系统的设计与实现 8.4 本情境的任务 8.2 PID数字控制器的实现 8.3 PID参数的整定8.1 温度控制系统的组成 8/25/202218.1 温度控制系统的组成 本情境以自制的温度试验箱为控制对象，让同学们设计出一个实际的数字温度控制系统。其系统控制过程是将被测参数由传感器变送器变换成统一的标准信号，经ADC0804离散后输入由微处理器构成的调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。 8/25/20222数字式温度控制系统结构图8/25/202238.2 PID数字控制器的实现 在连续控制系统

2、中，模拟调节器最常用的控制规律是PID控制，其控制规律形式如下： 上式表示的调节器的输入和输出函数均为模拟量，所以数字式计算机是无法对其进行直接运算的。为此，必须将连续形式的微分方程离散化为差分方程。 8/25/20224取T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2，i，k，因采样周期T相对与信号变化周期是很小的，这样可以用矩形面积法算积分，用向后差分代替微分，即 8/25/20225于是模拟调节器经离散化后，可写成 将上式化成递推形式（增量式PID）： 上式是PID增量式控制算式。按照此式，每输出一次控制量，要做四次加法，两次减法、四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并整理可写成如下形式： 8

3、/25/20226式中，系数可先进行计算，然后代入式（8-11）再进行计算机程序运算，单片机每输出一次控制量，只要做两次加法，一次减法、三次乘法。 注意：本次数字式PID算法必须采用位置式PID算法。8/25/202278.3 PID控制器参数的整定1采样周期的选择香农采样定理告诉我们：只有当采样频率达到系统信号最高频率的两倍或两倍以上时，才能使采样信号不失真地复现原来的信号。此定理仅从理论上给出了采样周期的上限，实际采样周期要受到多方面因素的制约。在实际任务中，采样周期受各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须视具体情况和主要的要求作出折衷的选择。表8-1给出了一些常见控制参数的经验采样周期，

4、可供我们参考。 8/25/20228表8-1 常用被控参数的经验采样周期注：本次设计要求采样周期为3秒。8/25/20229响应曲线法是整定模拟PID控制器参数的另一种方法，扩充响应曲线法则是在它的基础上发展而来的，用于整定数字PID控制器的参数。 被控对象阶跃响应曲线(a) 单位阶跃输入； (b) 单位阶跃响应 8/25/202210 (1) 断开数字PID控制器，使系统在手动状态下工作， 人为地改变手动信号，给被控对象一个阶跃输入信号。 (2) 用仪表记录下被控参数在此阶跃输入信号作用下的变化过程，即对象的阶跃响应曲线。(3) 在响应曲线上的拐点处作一切线，该切线与横轴以及系统响应稳态值的延长线相交于a、b两点，过b点作横轴的垂线相交于c点，则Oa为对象等效的纯滞后时间，ac为对象等效的时间常数Tm。(4) 选择控制度。 (5) 选择表8-2中相应的整定公式，根据测得的和Tm求得控制参数T、Kp、Ti和Td。 (6) 按求得的参数运行，观察控制效果，适当修正参数， 直到满意为止。 8/25/202211表8-2 扩充响应曲线法参数整定计算公式8/25/202212（一）合理选择温度测控系统的实施方案和单元电路；（二）完成温度测控系统的控制算法的设计；（三）