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ＰＩＤ現場(chǎng)實(shí)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(gè)參數在實(shí)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(chǎng)實(shí)驗整定法在基于單片機基于鍵盤(pán)設定的溫度控制系統中實(shí)現PID控制的可行性。?關(guān)鍵詞：溫度控制；PID ；現場(chǎng)實(shí)驗整定法?
PID調節是連續系統中技術(shù)最成熟,應用最廣泛的一種調節方式。PID調節的實(shí)質(zhì)就是根據輸進(jìn)的偏差值按比例、積分、微分的函數關(guān)系進(jìn)行運算。運算結果用于控制輸出。?
在實(shí)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(huán)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(fā)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(gè)參數在實(shí)際控制中的作用如何設定與調整，及在實(shí)際中如何應用。提出了并實(shí)際驗證了系統PID現場(chǎng)實(shí)驗整定法在基于單片機基于鍵盤(pán)設定的溫度控制系統中實(shí)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(shí)現。溫度控制系統由DS18B20單總線(xiàn)傳感器構成輸進(jìn)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?yōu)樽柚底兓盘栐俳?jīng)電橋變?yōu)?~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(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫順給定爐溫的偏差。爐溫的設定值由鍵盤(pán)輸進(jìn)。由單片機構成的數字控制器按最小拍進(jìn)行計算，計算出所需要的控制量。數字控制器的輸出經(jīng)標度變換后送給由p3.0通過(guò)t0調制的pwm波送至ssr,從而改變電烤箱單位時(shí)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(kāi)關(guān)電路：采用固態(tài)繼電器繼電器；4.鍵盤(pán)和顯示模塊：采用獨立式鍵盤(pán)；5.電源模塊：采用過(guò)濾，濾波，穩壓等電路實(shí)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(jiǎn)單、本錢(qián)低廉、可靠性高（即不易出錯）等特點(diǎn)。?
2 PID參數在實(shí)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(chǎn)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(guò)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(tài)誤差，進(jìn)步無(wú)差度。由于有誤差，積分調節就進(jìn)行，直至無(wú)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(shí)間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之積分作用就弱，加進(jìn)積分調節可使系統穩定性下降，動(dòng)態(tài)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(jiàn)性，能預見(jiàn)偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)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(dòng)態(tài)性能，在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調，減少調節時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)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(jìn)沒(méi)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(shí)按經(jīng)驗值設定他們的大概數值，然后通過(guò)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(wú)法提供參考數值，但是我們可以根據這些參數在整個(gè)PID過(guò)程中的作用原理，來(lái)討論我們的對策。1 加溫很迅速就達到目標值，但是溫度過(guò)沖很大：a）比例系數太大，致使在未達到設定溫度過(guò)沖很大；b）微分系數過(guò)小，致使對對象反應不敏感；2 加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值的時(shí)間較多：a）比例系數過(guò)小，加溫比例不夠；b）積分系數過(guò)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(jīng)常波動(dòng)：a）微分系數過(guò)小，對即時(shí)變化反映不夠快，反應措施不利；b）積分系數過(guò)大，使微分反應被沉沒(méi)鈍化；c）設定的基本定時(shí)周期過(guò)短，加熱沒(méi)有來(lái)得及傳到測溫點(diǎn)；4 受工作環(huán)境影響較大，在稍有變化就會(huì )引起溫度的波動(dòng)：a）微分系數過(guò)小，對即時(shí)變化反映不夠快，不能及時(shí)反應；b）設定的基本定時(shí)周期過(guò)長(cháng)，不能及時(shí)得到修正；選擇一個(gè)合適的時(shí)間常數很重要，要根據我們的輸出單元采用什么器件來(lái)確定，假如是采用可控硅的，則可設定時(shí)間常數的范圍就很自由，假如采用繼電器的則過(guò)于頻繁的開(kāi)關(guān)會(huì )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(shí)間TI和微分時(shí)間Td的具體數值。系統整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變控制參數使調節器特性和被控過(guò)程特性配合好，來(lái)改善系統的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)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(shí)響應的衰減率(0.75-0.9)（以保證系統具有一定的穩定性?xún)洌�，盡量減小穩態(tài)偏差(余差)、最大偏差和過(guò)度過(guò)程時(shí)間。?
工程上得到廣泛應用的PID參數整定方法通常有：動(dòng)態(tài)特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法、現場(chǎng)實(shí)驗整定法等。它直接在過(guò)程控制系統中進(jìn)行，其方法簡(jiǎn)單，計算簡(jiǎn)便，而且輕易把握.。在實(shí)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(jīng)驗數值后，再作給定位擾動(dòng)，觀(guān)察系統過(guò)度過(guò)程曲線(xiàn)。若曲線(xiàn)還不夠理想，則改變調節器的δ、TI、Td值，進(jìn)行反復湊試，以尋求最佳的整定參數，直到控制質(zhì)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(mǎn)足上述三個(gè)指標的要求。在控制初期，關(guān)鍵要克服各環(huán)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(guò)分影響穩定性，Ki可適當增大一些。在調節過(guò)程后期，為減小穩太誤差，進(jìn)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(jìn)步響應速度，Kp應該取大一些；在控制過(guò)程中期，為了防止超調過(guò)大造成震蕩，Kp要減小些；在控制過(guò)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(chǎn)生超調，使系統失穩。其主要原因是：其時(shí)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(chǎng)實(shí)驗整定法�，F場(chǎng)實(shí)驗整定法是通過(guò)仿真或實(shí)際運行，觀(guān)察系統對典型輸進(jìn)作用的響應曲線(xiàn)，根據各控制參數對系統的影響，反復調節試湊，直到滿(mǎn)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(kāi)環(huán)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(guò)大的比例系數又會(huì )加大系統超調，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統不穩定。在現場(chǎng)實(shí)驗整定法時(shí)，實(shí)行先比例、后積分、再微分的反復調整。積分時(shí)間和比例時(shí)間成反比，積分系數大，即積分時(shí)間短，導致超調過(guò)大。微分系數和微分時(shí)間成正比，微分系數過(guò)大，即微分時(shí)間過(guò)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(jìn)行自動(dòng)調節。?
5 控制系統調節時(shí)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(guò)設定欲達到的溫度數值，然后對比設定值和實(shí)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(shí)間（t）以及終極達到終值±0.2℃所需的時(shí)間（調節時(shí)間）；分析系統響應誤差，繪制出系統的響應曲線(xiàn)；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(shí)間的測試（系統的初始溫度為30℃，設定值為53℃）；通過(guò)5次觀(guān)察測試系統達到設定所需要的時(shí)間如表2所示。(3) 系統最大超調量的測試。通過(guò)5次觀(guān)察測試系統的最大超調量數據如表3所示。(4) 觀(guān)察系統的穩態(tài)誤差帶通過(guò)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(shí)間約為135.2 s（5次丈量所的均勻時(shí)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(wú)觸點(diǎn)固態(tài)繼電器在較高的工作頻率作用下不會(huì )像有觸電的繼電
器會(huì )有誤操縱動(dòng)作。經(jīng)過(guò)多次觀(guān)察得出本系統穩態(tài)誤差為：0.2℃（約為：0.37%）。?
6 結語(yǔ)?
本系統通過(guò)AT89C51單片機，運用數字PID算法，實(shí)現了爐溫的設定、采集與控制，并且通過(guò)鍵盤(pán)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(shí)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(zhuān)門(mén)添加了鍵盤(pán)可以改變參數的功能，為系統的調試帶來(lái)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(dòng)就可控制其他象水位、濕度、轉速等產(chǎn)業(yè)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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