PID温度控制实验

PID温度控制实验

PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，它根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量对系统进行控制。当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。

PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。本实验以PID温度控制为例，通过此实验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制等专业知识的理解。

一、实验目的 1、了解PID控温原理

2、掌握正校实验的方法，并用正交实验法来确定最佳P、I、D参数 3、会求根据温度变化曲线求出相应的超调量、稳态误差和调节时间的方法 二、仪器与用具

加热装置、加热控制模块、单片机控制及显示模块、配套软件、电脑。 三、实验原理

1、数字PID 控制原理

数字PID算法是用差分方程近似实现的, 用微分方程表示的PID调节规律的理想算式为:

1de(t)u(t)?KP[e(t)??e(t)dt?TD] （1）

TI0dt单片机只能处理数字信号，上式可等价于:

tTUn?KP[en?TI?ei?i?0nTD(en?en?1)] （2） TTTen?D(en?2en?1?en?2)] （3） TIT（2）式为位置式PID算法公式。也可把（2）式写成增量式PID算法形式:

?Un?Un?Un?1?KP[en?en?1?其中, en 为第n次采样的偏差量；en-1为第n- 1次采样的偏差量；T为采样周期；TI为积分时间；

TD为微分时间；KP为比例系数。

2、PID温度控制的框图

设定温度(SV)温度偏差(EV)(EV=SV-PV)PID调节器 按周期调节脉冲宽度输出加热装置实际温度(PV)图1 PID温度控制的框图

温度PID控制是一个反馈调节的过程: 比较实际温度(PV)和设定温度(SV)的偏差, 偏差值经过PID调节器运算来获得控制信号, 由该信号控制加热丝的加热时间, 达到控制加热功

率的目的, 从而实现对系统的温度控制。其调节过程如下：

温度偏差(EV) PID调节器输出的脉冲宽度可控硅导通时间与发热管输出功率加热装置温度实际温度(PV)

3、PWM控温原理

温度控制的功率输出我们采用脉冲宽度调制原理(PWM)来实现。如图2所示，双向可控硅的输出端为脉宽可调的电压U。当双向可控硅的触发角触发时，电源电压UAN通过双向

OUT

可控硅的输出端加到发热管的两端；当双向可控硅的触发角没有触发信号时，双向可控硅关断。因此，发热管两端的平均电压为UOUT?t?UAN?K?UAN其中K= t/T，为一个周期TT中，双向可控硅触发导通的比率，称为负载电压系数或是占空比，K的变化率在0－1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，如图3所示，这种调节方法称为定频调宽法。将位置式或者增量式PID算法的结果Un(?Un)对模拟量的连续控制转化为Un(?Un)对时间量的连续控制，使用双向可控硅直接控制加热管工作电流的导通与断开。

TriggerUOUT双向可控硅UAUU加热管

图2 双向可控硅加热控制电路

图3 脉宽调制电压输出示意图

4、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。

图4 温度控制的动态响应过程

（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，双向可控硅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”，双向可控硅才关闭输出。“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，如图4所示。用“加速速率”限制温升过快，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, 双向可控硅关闭；要么占空比K=100％, 双向可控硅全速输出。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。 四、实验内容

1、 采用正交实验的方法来确定PID参数。

初始时，各PID参数取值为：KP={1,4,10}，KI={0.1,0.5,1.0}，KD={1,5,10}，PID参数整定的目的是找到一组使温控系统的超调值小、响应快、稳态精度高的参数值， 由于初始实验各组参数所产生的超调值相差不大， 因此， 将稳定在70℃±1℃的时间作为本次实验的实验指标。

表1 正交实验的设计

实验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

空列 1 1 1 2 2 2 3 3 3 A 1(1) 2(4) 3(10) 1(1) 2(4) 3(10) 1(1) 2(4) 3(10) B 1(0.1) 2(0.5) 3(1.0) 2(0.5) 3(1.0) 1(0.1) 3(1.0) 1(0.1) 2(0.5) C 1(1) 2(5) 3(10) 3(10) 1(1) 2(5) 2(5) 3(10) 1(1) 实验结果 2、 根据正交实验结果确定的最佳KP，KI，KD参数，研究PID控温的自适应能力。 先设置的目标温度为50oC稳定后增加到70oC，进行PID参数自适应能力测试。 五、数据处理要求

1、采用直观分析法或方差分析法确定KP，KI，KD三个因素对该控制系统品质指标影响显著的先后顺序，并得出最佳的KP，KI，KD参数。

2、利用最佳的PID参数，测出温度变化曲线，并求出相应的超调量、稳态误差和调节时间。

3、评价该最佳的KP，KI，KD参数对该控制系统的自适应能力。 六、思考题

1. 比例、积分、微分在温度PID控制实验中的作用以及各系数对控制效果的影响。 2. 如何采用直观分析法或方差分析法确定影响因素的对该控制系统品质指标影响显著的先后顺序，并得出最佳的影响因素的值？

附录：

1、PID温度控制实验系统V1.0的使用说明

使用说明:1、设置好COM口，X、Y轴的范围。2、设置目标温度，PID控量及KP，KI，KD值等参数。3、用USB线与单片机主板连接，打开单片机电源开关，然后点击“参数设置”按钮，把设置好的参数发送给单片机,若右边的颜色框变绿表示发送成功。4、点击“开始测温”按钮，开始测量温度，若右边的颜色框变绿表示通信正常,并显示测温曲线。5、实验完成后点“数据保存”或“保存曲线”按钮完成本组实验数据的测量。

2、PID控制器调试方法 比例系数的调节

比例系数P的调节范围一般是：0.1--100. 如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。

可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。 积分系数的调节

积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为 1秒，则输出变化 100%所需时间为 1 秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。 微分系数的调节

微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。

参考文献：

[1] 滕海英，祝国强，黄平，刘沛.正交试验设计实例分析[J].药学服务与研究，2008（1） [2] 陈铁强，李克天，刘吉安，印波，蔡召虎.基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统的开发和实验研究[J]. 机电工程技术,2009(09).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fydp.html