ＰＩＤ現場實驗整定法在溫度控制系統中的運用研究
摘 要：先容了PID的三個參數在實際控制系統中的作用、設定與調整應用。提出并驗證了系統PID現場實驗整定法在基于單片機基于鍵盤設定的溫度控制系統中實現PID控制的可行性。?關鍵詞：溫度控制；PID ；現場實驗整定法?
PID調節是連續系統中技術最成熟,應用最廣泛的一種調節方式。PID調節的實質就是根據輸進的偏差值按比例、積分、微分的函數關系進行運算。運算結果用于控制輸出。?
在實際應用中，根據被控對象的特性和控制要求，可靈活的改變PID結構，取其中的一部分環節構成控制規律，如比例調節、比例積分調節、比例積分微分調節等，特別在計算機控制系統中，更可以靈活運用，以充分發揮微型機的作用。PID調試最困難的部分是參數的設定與調整，即指系統PID參數整定方法。?
本文先容了PID的三個參數在實際控制中的作用如何設定與調整，及在實際中如何應用。提出了并實際驗證了系統PID現場實驗整定法在基于單片機基于鍵盤設定的溫度控制系統中實現PID控制的可行性。?
1 系統設計原理及功能?
本系統采用典型的反饋式溫度控制系統，數字控制器的功能由AT89C51單片機實現。溫度控制系統由DS18B20單總線傳感器構成輸進通道，用于采集爐內的溫度信號。其中，熱敏電阻選用器mf12-26型號，它將溫度信號轉變為阻值變化信號再經電橋變為0~5v標準電壓信號，以供A/D轉換用。轉換后的數字量與與爐溫的給定值數字化后進行比較，即可得到實際爐溫順給定爐溫的偏差。爐溫的設定值由鍵盤輸進。由單片機構成的數字控制器按最小拍進行計算，計算出所需要的控制量。數字控制器的輸出經標度變換后送給由p3.0通過t0調制的pwm波送至ssr,從而改變電烤箱單位時間內電壓導通的百分比,從而控制電烤箱加熱功率，起到調溫的作用。溫度控制系統的硬件設計圖分別如圖1。?
1.控制模塊：采用ATMEL公司的AT89C51作為控制器的方案；2.溫度采集模塊：采用數字式溫度傳感器DS18B20；3.開關電路：采用固態繼電器繼電器；4.鍵盤和顯示模塊：采用獨立式鍵盤；5.電源模塊：采用過濾，濾波，穩壓等電路實現。?
本溫度控制系統的對象是電爐，針對日常生活，要求所設計的系統具有軟硬件結構簡單、本錢低廉、可靠性高（即不易出錯）等特點。?
2 PID參數在實際控制中的作用及設定與調整?
�。�1）比例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系同一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造系統的不穩定。（2）積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，進步無差度。由于有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之積分作用就弱，加進積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與其他兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。（3）微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸進沒有變化是，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。?
參數的設定與調整是PID最困難的部分，編程時按經驗值設定他們的大概數值，然后通過反復的參數整定才能找到相對比較理想的參數值。面對不同的控制對象參數都不同，所以我們無法提供參考數值，但是我們可以根據這些參數在整個PID過程中的作用原理，來討論我們的對策。1 加溫很迅速就達到目標值，但是溫度過沖很大：a）比例系數太大，致使在未達到設定溫度過沖很大；b）微分系數過小，致使對對象反應不敏感；2 加溫經常達不到目標值，小于目標值的時間較多：a）比例系數過小，加溫比例不夠；b）積分系數過小，對恒偏差補償不足；3 基本上能控制在目標上，但上下偏差較大，經常波動：a）微分系數過小，對即時變化反映不夠快，反應措施不利；b）積分系數過大，使微分反應被沉沒鈍化；c）設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點；4 受工作環境影響較大，在稍有變化就會引起溫度的波動：a）微分系數過小，對即時變化反映不夠快，不能及時反應；b）設定的基本定時周期過長，不能及時得到修正；選擇一個合適的時間常數很重要，要根據我們的輸出單元采用什么器件來確定，假如是采用可控硅的，則可設定時間常數的范圍就很自由，假如采用繼電器的則過于頻繁的開關會影響繼電器的使用壽命，所以就不太適合采用較短周期。一般的周期設定范圍是1－10分鐘較為合適。?
3 系統PID參數整定方法及計算?
系統整定是指選擇調節器的比例度 、積分時間TI和微分時間Td的具體數值。系統整定的實質，就是通過改變控制參數使調節器特性和被控過程特性配合好，來改善系統的動態和靜態特性，求得最佳的控制效果。系統的良好控制效果一般要求：瞬時響應的衰減率(0.75-0.9)（以保證系統具有一定的穩定性儲備），盡量減小穩態偏差(余差)、最大偏差和過度過程時間。?
工程上得到廣泛應用的PID參數整定方法通常有：動態特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線法、現場實驗整定法等。它直接在過程控制系統中進行，其方法簡單，計算簡便，而且輕易把握.。在實際應用中，將調節器的整定參數按先比例、后積分、最后微分的程序置于某些經驗數值后，再作給定位擾動，觀察系統過度過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調節器的δ、TI、Td值，進行反復湊試，以尋求最佳的整定參數，直到控制質量符合要求為止。?
控制器設計總體指標可以概括為：穩、準、快，均衡調節以Kp、Ki、Kd三參數則可一定程度上滿足上述三個指標的要求。在控制初期，關鍵要克服各環節的滯后，為了避免積分飽和造成較大超調，Ki應選的小一些。在控制中期，系統偏差以減小，但為了不過分影響穩定性，Ki可適當增大一些。在調節過程后期，為減小穩太誤差，進步控制精度，Ki可選取更大一些。在控制初期，為盡快消除偏差，進步響應速度，Kp應該取大一些；在控制過程中期，為了防止超調過大造成震蕩，Kp要減小些；在控制過程后期，則要克服超調，使系統盡快穩定，Kp值要再減小一些。純大滯后系統在控制中，輕易產生超調，使系統失穩。其主要原因是：其時滯階段對誤差的積分太大。因此，為了改善純大滯后系統的相應特性，對積分因子提出了新的要求。?
本次測試溫度定值，選用PID參數整定方法中的現場實驗整定法。現場實驗整定法是通過仿真或實際運行，觀察系統對典型輸進作用的響應曲線，根據各控制參數對系統的影響，反復調節試湊，直到滿足為止，從而確定PID參數。PID控制器各參數對系統的影響是；增大開環比例系數Kp，一般將加快系統的影響速度，在有靜差的情況下則有利于減小靜差；但過大的比例系數又會加大系統超調，甚至產生振蕩，使系統不穩定。在現場實驗整定法時，實行先比例、后積分、再微分的反復調整。積分時間和比例時間成反比，積分系數大，即積分時間短，導致超調過大。微分系數和微分時間成正比，微分系數過大，即微分時間過大，導致系統不穩定�！ �4 系統軟件設計?
軟件設計主程序流程圖2。其中PID數字控制器是本系統設計的核心，用它對被測參數進行自動調節。?
5 控制系統調節時間和超調量調試?
1. 測試儀器：秒表、溫度計2. 測試方法：由于系統具有溫度調節和控制的作用，通過設定欲達到的溫度數值，然后對比設定值和實際丈量值，丈量出系統的最大超調量丈量達到設定值所需要的時間（t）以及終極達到終值±0.2℃所需的時間（調節時間）；分析系統響應誤差，繪制出系統的響應曲線；完成響應的數據記錄。3. 測試數據記錄：（1） 測試傳感器DP18B20的，其測試數據如表1所示。(2)達到設定值時間的測試（系統的初始溫度為30℃，設定值為53℃）；通過5次觀察測試系統達到設定所需要的時間如表2所示。(3) 系統最大超調量的測試。通過5次觀察測試系統的最大超調量數據如表3所示。(4) 觀察系統的穩態誤差帶通過表1丈量所得數據顯示值與丈量值比較可以看出傳感起的誤差基本上在±0.1之間，由于所采用的溫度計的最小刻度值為2℃，所以用溫度計所丈量的數值存在較大誤差。表2中所丈量的數值可以看出系統達到所設定溫度所需的時間約為135.2 s（5次丈量所的均勻時間）。分析表3中數據可以看出系統的最大超調量約為0.3℃，由于所用的無觸點固態繼電器在較高的工作頻率作用下不會像有觸電的繼電
器會有誤操縱動作。經過多次觀察得出本系統穩態誤差為：0.2℃（約為：0.37%）。?
6 結語?
本系統通過AT89C51單片機，運用數字PID算法，實現了爐溫的設定、采集與控制，并且通過鍵盤可以改變PID控制算法的參數，基本達到了設計的最初要求。由于在實際系統中各方面因素的干擾，往往同一PID參數不能適應各種要求，故設計專門添加了鍵盤可以改變參數的功能，為系統的調試帶來了很大的方便。該系統具有很好的通用性，只要將硬件和軟件稍加變動就可控制其他象水位、濕度、轉速等產業參數。如加適當的電路系統便可具有溫度上下限報警功能等。?
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