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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
（作者未知） 2010/3/30
（接上頁(yè)）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)渡過(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，而且容易掌握.。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)渡過(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，提高控制精度，Ki可選取更大一些。在控制初期，為盡快消除偏差，提高響應(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，容易產(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)典型輸入作用的響應(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，直到滿意為止，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)本論文由無(wú)憂論文網(wǎng)www.51lunwen.com整理提供
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)際測(cè)量值，測(cè)量出系統(tǒng)的最大超調(diào)量測(cè)量達(dá)到設(shè)定值所需要的時(shí)間（t）以及最終達(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測(cè)量所得數(shù)據(jù)顯示值與測(cè)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)所測(cè)量的數(shù)值存在較大誤差。表2中所測(cè)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次測(cè)量所的平均時(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)有誤操作動(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(pán)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(mén)添加了鍵盤(pán)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（未完，下一頁(yè)）
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