PID溫度控制實(shí)驗(yàn)

1、PID溫度控制實(shí)驗(yàn)PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。PID調(diào)節(jié)控制是一個(gè)傳統(tǒng)控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)，不同的現(xiàn)場(chǎng)，僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以達(dá)到很好的效果。本實(shí)驗(yàn)以PID溫度控制為例，通過(guò)此實(shí)驗(yàn)可以加深對(duì)檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、過(guò)程控制等專(zhuān)

2、業(yè)知識(shí)的理解。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解PID控溫原理2、掌握正校實(shí)驗(yàn)的方法，并用正交實(shí)驗(yàn)法來(lái)確定最佳P、I、D參數(shù)3、會(huì)求根據(jù)溫度變化曲線求出相應(yīng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間的方法二、儀器與用具加熱裝置、加熱控制模塊、單片機(jī)控制及顯示模塊、配套軟件、電腦。三、實(shí)驗(yàn)原理1、數(shù)字PID 控制原理數(shù)字PID算法是用差分方程近似實(shí)現(xiàn)的, 用微分方程表示的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的理想算式為: （1）單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，上式可等價(jià)于: （2）（2）式為位置式PID算法公式。也可把（2）式寫(xiě)成增量式PID算法形式: （3）其中, en 為第n次采樣的偏差量；en-1為第n- 1次采樣的偏差量；T為采樣周期；TI為積

3、分時(shí)間； TD為微分時(shí)間；KP為比例系數(shù)。2、PID溫度控制的框圖圖1 PID溫度控制的框圖溫度PID控制是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)的過(guò)程: 比較實(shí)際溫度(PV)和設(shè)定溫度(SV)的偏差, 偏差值經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算來(lái)獲得控制信號(hào), 由該信號(hào)控制加熱絲的加熱時(shí)間, 達(dá)到控制加熱功率的目的, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的溫度控制。其調(diào)節(jié)過(guò)程如下： 3、PWM控溫原理溫度控制的功率輸出我們采用脈沖寬度調(diào)制原理(PWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，雙向可控硅的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓UOUT。當(dāng)雙向可控硅的觸發(fā)角觸發(fā)時(shí)，電源電壓UAN通過(guò)雙向可控硅的輸出端加到發(fā)熱管的兩端；當(dāng)雙向可控硅的觸發(fā)角沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，雙向可控硅關(guān)斷。因此，發(fā)

4、熱管兩端的平均電壓為其中K= t/T，為一個(gè)周期T中，雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通的比率，稱為負(fù)載電壓系數(shù)或是占空比，K的變化率在01之間。一般是周期T固定不便，調(diào)節(jié)t, 當(dāng)t在0T的范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)熱管的電壓即在0UAN之間變化，如圖3所示，這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。將位置式或者增量式PID算法的結(jié)果Un()對(duì)模擬量的連續(xù)控制轉(zhuǎn)化為Un()對(duì)時(shí)間量的連續(xù)控制，使用雙向可控硅直接控制加熱管工作電流的導(dǎo)通與斷開(kāi)。 圖2 雙向可控硅加熱控制電路 圖3 脈寬調(diào)制電壓輸出示意圖4、溫度控制的兩個(gè)階段 溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)，也就是說(shuō)，當(dāng)給溫區(qū)開(kāi)始加熱之后，并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣的

5、，當(dāng)關(guān)閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對(duì)溫度的檢測(cè)，與實(shí)際的溫區(qū)溫度相比較，也存在一定的滯后效應(yīng)。 這給溫度的控制帶來(lái)了困難。因此，如果在溫度檢測(cè)值（PV）到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長(zhǎng)時(shí)間超出設(shè)定值，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢測(cè)值（PV）未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度（即加熱速度）與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾，我們把溫度控制分為兩個(gè)階段。圖4 溫度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程（1） PID調(diào)節(jié)前階段 在這個(gè)階段，因?yàn)闇貐^(qū)的溫度距離設(shè)定值還很遠(yuǎn)，為了加快加熱速度，雙向可控硅與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸

6、出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過(guò)控制參數(shù)“加速速率”，雙向可控硅才關(guān)閉輸出?！凹铀偎俾省泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r(shí)間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如圖4所示。用“加速速率”限制溫升過(guò)快，是為了降低溫度進(jìn)入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達(dá)溫度設(shè)定值（SV）時(shí)超調(diào)過(guò)大。在這個(gè)階段，要么占空比K=0, 雙向可控硅關(guān)閉；要么占空比K=100, 雙向可控硅全速輸出。PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。（2） PID調(diào)節(jié)階段在這個(gè)階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計(jì)算占空比（0100），保證偏差(EV)趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 采用正交實(shí)驗(yàn)的

7、方法來(lái)確定PID參數(shù)。初始時(shí)，各PID參數(shù)取值為：KP=1,4,10，KI=0.1,0.5,1.0，KD=1,5,10，PID參數(shù)整定的目的是找到一組使溫控系統(tǒng)的超調(diào)值小、響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高的參數(shù)值， 由于初始實(shí)驗(yàn)各組參數(shù)所產(chǎn)生的超調(diào)值相差不大， 因此， 將穩(wěn)定在70±1的時(shí)間作為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。表1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)號(hào)空列ABC實(shí)驗(yàn)結(jié)果111(1)1(0.1)1(1)212(4)2(0.5)2(5)313(10)3(1.0)3(10)421(1)2(0.5)3(10)522(4)3(1.0)1(1)623(10)1(0.1)2(5)731(1)3(1.0)2(5)832(4)

8、1(0.1)3(10)933(10)2(0.5)1(1)2、 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的最佳KP，KI，KD參數(shù)，研究PID控溫的自適應(yīng)能力。先設(shè)置的目標(biāo)溫度為50ºC穩(wěn)定后增加到70ºC，進(jìn)行PID參數(shù)自適應(yīng)能力測(cè)試。五、數(shù)據(jù)處理要求1、采用直觀分析法或方差分析法確定KP，KI，KD三個(gè)因素對(duì)該控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)影響顯著的先后順序，并得出最佳的KP，KI，KD參數(shù)。2、利用最佳的PID參數(shù)，測(cè)出溫度變化曲線，并求出相應(yīng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間。3、評(píng)價(jià)該最佳的KP，KI，KD參數(shù)對(duì)該控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。六、思考題1. 比例、積分、微分在溫度PID控制實(shí)驗(yàn)中的作用以及各系數(shù)

9、對(duì)控制效果的影響。 2. 如何采用直觀分析法或方差分析法確定影響因素的對(duì)該控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)影響顯著的先后順序，并得出最佳的影響因素的值？附錄：1、PID溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)V1.0的使用說(shuō)明2、PID控制器調(diào)試方法比例系數(shù)的調(diào)節(jié)比例系數(shù)P的調(diào)節(jié)范圍一般是：0.1-100.如果增益值取 0.1，PID 調(diào)節(jié)器輸出變化為十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 調(diào)節(jié)器輸出變化為一百倍的偏差值。可見(jiàn)該值越大，比例產(chǎn)生的增益作用越大。初調(diào)時(shí)，選小一些，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)波動(dòng)足夠小時(shí)，再該調(diào)節(jié)積分或微分系數(shù)。過(guò)大的P值會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，持續(xù)振蕩；過(guò)小的P值又會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。合適的值應(yīng)該使系統(tǒng)由足夠的靈敏度但又不會(huì)反應(yīng)過(guò)于靈敏，一定時(shí)間的遲緩要靠積分時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。積分系數(shù)的調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)的定義是，偏差引起輸出增長(zhǎng)的時(shí)間。積分時(shí)間設(shè)為 1秒，則輸出變化 100%所需時(shí)間為 1 秒。初調(diào)時(shí)要把積分時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。微分系數(shù)的調(diào)節(jié)微分值是偏差值的變化率。例如，如果輸入偏差值線性變化，則在調(diào)節(jié)器輸出側(cè)疊加一個(gè)恒定的調(diào)節(jié)量。大部分控制系統(tǒng)不需要調(diào)節(jié)微分時(shí)間。因?yàn)橹挥袝r(shí)間滯后的系統(tǒng)才需要附加這個(gè)參數(shù)。如果畫(huà)蛇添足加上這個(gè)參數(shù)反而會(huì)使系統(tǒng)的控制受到影響。如果通過(guò)比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制