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ＰＩＤ現(xiàn)場實驗整定法在溫度控制系統(tǒng)中的運用研究
（作者未知） 2010/3/30
摘 要：介紹了PID的三個參數(shù)在實際控制系統(tǒng)中的作用、設(shè)定與調(diào)整應(yīng)用。提出并驗證了系統(tǒng)PID現(xiàn)場實驗整定法在基于單片機基于鍵盤設(shè)定的溫度控制系統(tǒng)中實現(xiàn)PID控制的可行性。
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)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算。運算結(jié)果用于控制輸出。
在實際應(yīng)用中，根據(jù)被控對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，特別在計算機控制系統(tǒng)中，更可以靈活運用，以充分發(fā)揮微型機的作用。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。
本文介紹了PID的三個參數(shù)在實際控制中的作用如何設(shè)定與調(diào)整，及在實際中如何應(yīng)用。提出了并實際驗證了系統(tǒng)PID現(xiàn)場實驗整定法在基于單片機基于鍵盤設(shè)定的溫度控制系統(tǒng)中實現(xiàn)PID控制的可行性。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理及功能
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單片機實現(xiàn)。溫度控制系統(tǒng)由DS18B20單總線傳感器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與與爐溫的給定值數(shù)字化后進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差。爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入。由單片機構(gòu)成的數(shù)字控制器按最小拍進行計算，計算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標度變換后送給由p3.0通過t0調(diào)制的pwm波送至ssr,從而改變電烤箱單位時間內(nèi)電壓導通的百分比,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)計圖分別。
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：采用獨立式鍵盤；5.電源模塊：采用過濾，濾波，穩(wěn)壓等電路實現(xiàn)。
本溫度控制系統(tǒng)的對象是電爐，針對日常生活，要求所設(shè)計的系統(tǒng)具有軟硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高（即不易出錯）等特點。
2 PID參數(shù)在實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，系統(tǒng)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，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之積分作用就弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(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)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，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)的動態(tài)性能，在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反映的是變化率，而當輸入沒有變化是，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(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，編程時按經(jīng)驗值設(shè)定他們的大概數(shù)值，然后通過反復的參數(shù)整定才能找到相對比較理想的參數(shù)值。面對不同的控制對象參數(shù)都不同，所以我們無法提供參考數(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(shù)太大，致使在未達到設(shè)定溫度過沖很大；b）微分系數(shù)過小，致使對對象反應(yīng)不敏感；2 加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值的時間較多：a）比例系數(shù)過小，加溫比例不夠；b）積分系數(shù)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(jīng)常波動：a）微分系數(shù)過小，對即時變化反映不夠快，反應(yīng)措施不利；b）積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化；c）設(shè)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(huán)境影響較大，在稍有變化就會引起溫度的波動：a）微分系數(shù)過小，對即時變化反映不夠快，不能及時反應(yīng)；b）設(shè)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(shù)很重要，要根據(jù)我們的輸出單元采用什么器件來確定，如果是采用可控硅的，則可設(shè)定時間常數(shù)的范圍就很自由，如果采用繼電器的則過（未完，下一頁）
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