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ＰＩＤ現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法在溫度控制系統(tǒng)中的運(yùn)用研究
摘 要：先容了PID的三個(gè)參數(shù)在實(shí)際控制系統(tǒng)中的作用、設(shè)定與調(diào)整應(yīng)用。提出并驗(yàn)證了系統(tǒng)PID現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法在基于單片機(jī)基于鍵盤設(shè)定的溫度控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PID控制的可行性。?關(guān)鍵詞：溫度控制；PID ；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法?
PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟,應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸進(jìn)的偏差值按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果用于控制輸出。?
在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制要求，可靈活的改變PID結(jié)構(gòu)，取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例調(diào)節(jié)、比例積分調(diào)節(jié)、比例積分微分調(diào)節(jié)等，特別在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，更可以靈活運(yùn)用，以充分發(fā)揮微型機(jī)的作用。PID調(diào)試最困難的部分是參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整，即指系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法。?
本文先容了PID的三個(gè)參數(shù)在實(shí)際控制中的作用如何設(shè)定與調(diào)整，及在實(shí)際中如何應(yīng)用。提出了并實(shí)際驗(yàn)證了系統(tǒng)PID現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法在基于單片機(jī)基于鍵盤設(shè)定的溫度控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PID控制的可行性。?
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及功能?
本系統(tǒng)采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，數(shù)字控制器的功能由AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。溫度控制系統(tǒng)由DS18B20單總線傳感器構(gòu)成輸進(jìn)通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號(hào)。其中，熱敏電阻選用器mf12-26型號(hào)，它將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底兓盘?hào)再經(jīng)電橋變?yōu)?~5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與與爐溫的給定值數(shù)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(shè)定值由鍵盤輸進(jìn)。由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給由p3.0通過(guò)t0調(diào)制的pwm波送至ssr,從而改變電烤箱單位時(shí)間內(nèi)電壓導(dǎo)通的百分比,從而控制電烤箱加熱功率，起到調(diào)溫的作用。溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(shù)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.鍵盤和顯示模塊：采用獨(dú)立式鍵盤；5.電源模塊：采用過(guò)濾，濾波，穩(wěn)壓等電路實(shí)現(xiàn)。?
本溫度控制系統(tǒng)的對(duì)象是電爐，針對(duì)日常生活，要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有軟硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低廉、可靠性高（即不易出錯(cuò)）等特點(diǎn)。?
2 PID參數(shù)在實(shí)際控制中的作用及設(shè)定與調(diào)整?
�。�1）比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系同一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（2）積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，進(jìn)步無(wú)差度。由于有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，反之積分作用就弱，加進(jìn)積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與其他兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。（3）微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，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(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)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(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當(dāng)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(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。?
參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整是PID最困難的部分，編程時(shí)按經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定他們的大概數(shù)值，然后通過(guò)反復(fù)的參數(shù)整定才能找到相對(duì)比較理想的參數(shù)值。面對(duì)不同的控制對(duì)象參數(shù)都不同，所以我們無(wú)法提供參考數(shù)值，但是我們可以根據(jù)這些參數(shù)在整個(gè)PID過(guò)程中的作用原理，來(lái)討論我們的對(duì)策。1 加溫很迅速就達(dá)到目標(biāo)值，但是溫度過(guò)沖很大：a）比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度過(guò)沖很大；b）微分系數(shù)過(guò)小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感；2 加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多：a）比例系數(shù)過(guò)小，加溫比例不夠；b）積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足；3 基本上能控制在目標(biāo)上，但上下偏差較大，經(jīng)常波動(dòng)：a）微分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反映不夠快，反應(yīng)措施不利；b）積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被沉沒(méi)鈍化；c）設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)短，加熱沒(méi)有來(lái)得及傳到測(cè)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(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反映不夠快，不能及時(shí)反應(yīng)；b）設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修正；選擇一個(gè)合適的時(shí)間常數(shù)很重要，要根據(jù)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(shè)定時(shí)間常數(shù)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(shè)定范圍是1－10分鐘較為合適。?
3 系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法及計(jì)算?
系統(tǒng)整定是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度 、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的具體數(shù)值。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變控制參數(shù)使調(diào)節(jié)器特性和被控過(guò)程特性配合好，來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，求得最佳的控制效果。系統(tǒng)的良好控制效果一般要求：瞬時(shí)響應(yīng)的衰減率(0.75-0.9)（以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性儲(chǔ)備），盡量減小穩(wěn)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(yīng)用的PID參數(shù)整定方法通常有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、臨界比例度法、衰減曲線法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法等。它直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行，其方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且輕易把握.。在實(shí)際應(yīng)用中，將調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的程序置于某些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值后，再作給定位擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調(diào)節(jié)器的δ、TI、Td值，進(jìn)行反復(fù)湊試，以尋求最佳的整定參數(shù)，直到控制質(zhì)量符合要求為止。?
控制器設(shè)計(jì)總體指標(biāo)可以概括為：穩(wěn)、準(zhǔn)、快，均衡調(diào)節(jié)以Kp、Ki、Kd三參數(shù)則可一定程度上滿足上述三個(gè)指標(biāo)的要求。在控制初期，關(guān)鍵要克服各環(huán)節(jié)的滯后，為了避免積分飽和造成較大超調(diào)，Ki應(yīng)選的小一些。在控制中期，系統(tǒng)偏差以減小，但為了不過(guò)分影響穩(wěn)定性，Ki可適當(dāng)增大一些。在調(diào)節(jié)過(guò)程后期，為減小穩(wěn)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(yīng)速度，Kp應(yīng)該取大一些；在控制過(guò)程中期，為了防止超調(diào)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(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，Kp值要再減小一些。純大滯后系統(tǒng)在控制中，輕易產(chǎn)生超調(diào)，使系統(tǒng)失穩(wěn)。其主要原因是：其時(shí)滯階段對(duì)誤差的積分太大。因此，為了改善純大滯后系統(tǒng)的相應(yīng)特性，對(duì)積分因子提出了新的要求。?
本次測(cè)試溫度定值，選用PID參數(shù)整定方法中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法�，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法是通過(guò)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸進(jìn)作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿足為止，從而確定PID參數(shù)。PID控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響是；增大開(kāi)環(huán)比例系數(shù)Kp，一般將加快系統(tǒng)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(shù)又會(huì)加大系統(tǒng)超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)整定法時(shí)，實(shí)行先比例、后積分、再微分的反復(fù)調(diào)整。積分時(shí)間和比例時(shí)間成反比，積分系數(shù)大，即積分時(shí)間短，導(dǎo)致超調(diào)過(guò)大。微分系數(shù)和微分時(shí)間成正比，微分系數(shù)過(guò)大，即微分時(shí)間過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?
軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖2。其中PID數(shù)字控制器是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，用它對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。?
5 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量調(diào)試?
1. 測(cè)試儀器：秒表、溫度計(jì)2. 測(cè)試方法：由于系統(tǒng)具有溫度調(diào)節(jié)和控制的作用，通過(guò)設(shè)定欲達(dá)到的溫度數(shù)值，然后對(duì)比設(shè)定值和實(shí)際丈量值，丈量出系統(tǒng)的最大超調(diào)量丈量達(dá)到設(shè)定值所需要的時(shí)間（t）以及終極達(dá)到終值±0.2℃所需的時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）；分析系統(tǒng)響應(yīng)誤差，繪制出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線；完成響應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄。3. 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄：（1） 測(cè)試傳感器DP18B20的，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。(2)達(dá)到設(shè)定值時(shí)間的測(cè)試（系統(tǒng)的初始溫度為30℃，設(shè)定值為53℃）；通過(guò)5次觀察測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定所需要的時(shí)間如表2所示。(3) 系統(tǒng)最大超調(diào)量的測(cè)試。通過(guò)5次觀察測(cè)試系統(tǒng)的最大超調(diào)量數(shù)據(jù)如表3所示。(4) 觀察系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差帶通過(guò)表1丈量所得數(shù)據(jù)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(jì)的最小刻度值為2℃，所以用溫度計(jì)所丈量的數(shù)值存在較大誤差。表2中所丈量的數(shù)值可以看出系統(tǒng)達(dá)到所設(shè)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(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)的最大超調(diào)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)多次觀察得出本系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為：0.2℃（約為：0.37%）。?
6 結(jié)語(yǔ)?
本系統(tǒng)通過(guò)AT89C51單片機(jī)，運(yùn)用數(shù)字PID算法，實(shí)現(xiàn)了爐溫的設(shè)定、采集與控制，并且通過(guò)鍵盤可以改變PID控制算法的參數(shù)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的最初要求。由于在實(shí)際系統(tǒng)中各方面因素的干擾，往往同一PID參數(shù)不能適應(yīng)各種要求，故設(shè)計(jì)專門添加了鍵盤可以改變參數(shù)的功能，為系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。該系統(tǒng)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(zhuǎn)速等產(chǎn)業(yè)參數(shù)。如加適當(dāng)?shù)碾娐废到y(tǒng)便可具有溫度上下限報(bào)警功能等。?
參考文獻(xiàn)?
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