溫度控制的PID算法-及C程序?qū)崿F(xiàn)

1、溫度控制的PID算法-及C程序 實現(xiàn)溫度控制與PID算法溫度控制與PID算法j較為復(fù)雜，下面結(jié)合 實際淺顯易懂的闡述一下 PID控制理論，將溫 度控制及PID算法作一個簡單的描述。1.溫度控制的框圖般：詫驅(qū)曬這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控 制加熱溫區(qū)的溫度（PV）保持在恒定的溫度 設(shè)定值（SV）。系統(tǒng)通過溫度采集單元反饋回來 的實時溫度信號（PV）獲取偏差值（EV）, 偏差值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運算輸出，控制發(fā)熱 管的發(fā)熱功率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。例如，當某一時刻爐內(nèi)過 PCB板較多， 帶走的熱量較多時，即導(dǎo)致溫區(qū)溫度下降，這時，通過反饋的調(diào)節(jié)作用，將使溫度迅速回升其調(diào)節(jié)過程如下:P

2、I匸調(diào)節(jié)揀凰腴世電諜與黑爲菅 愉山功率溫度控制的功率輸出采用脈寬調(diào)制的方法。固態(tài)繼電器SSR的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓Uout。當SSR的觸發(fā)角觸發(fā)時，電源電 壓Uan通過SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩端； 當SSR的觸發(fā)角沒有觸發(fā)信號時，SSR關(guān)斷 因此，發(fā)熱管兩端的平均電壓為Ud=(t/T)* U an=K* U an其中K= t/T，為一個周期T中，SSR觸發(fā)導(dǎo) 通的比率，稱為負載電壓系數(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t在0 T的范圍內(nèi)變化時，發(fā) 熱管的電壓即在0 Uan之間變化，這種調(diào)節(jié)方 法稱為定頻調(diào)寬法。下面將要描述的 PID調(diào)節(jié)器的算式在這里

3、的實質(zhì)即是運算求出一個 實時變化的，能夠保證加熱溫區(qū)在外界干擾的 情況下仍能保持溫度在一個較小的范圍內(nèi)變發(fā)熱管L8KW化的合理的負載電壓系數(shù)K1<A十SSRL on tInUuL73Uan0_簡單的固態(tài)繼電器加熱電路j;w一AKAT脈寬詭制電壓輸出示意圖t2.溫度控制的兩個階段溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng)，也 就是說，當給溫區(qū)開始加熱之后，并不能立即 觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣的，當關(guān) 閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上 升。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實際的溫 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了困難。因此，如果在溫 度檢測值（PV）到達設(shè)定值時才關(guān)

4、斷輸出， 可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時間超出設(shè)定值， 需要較長時間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢 測值（PV）未到設(shè)定值時即關(guān)斷輸出，則可 能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達到設(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 兩個階段。匿段拒艷的功態(tài)響應(yīng)過程（1） PID調(diào)節(jié)前階段在這個階段，因為溫區(qū)的溫度距離 設(shè)定值還很遠，為了加快加熱速度，SSR 與發(fā)熱管處于滿負荷輸出狀態(tài)，只有當 溫度上升速度超過控制參數(shù)"加速速 率”，SSR才關(guān)閉輸出?！凹铀偎俾省泵?述的是溫度在單位時間的跨度，反映的 是溫度升降的快慢，如上圖所示。用“加 速速率”限制溫升

5、過快，是為了降低溫 度進入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到 達溫度設(shè)定值(SV)時超調(diào)過大。在這個階段，要么占空比K=0, SSR 關(guān)閉；要么占空比K=100 %, SSR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)階段在這個階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出， 根據(jù)偏差值計算占空比(0 100%)，保 證偏差(EV)趨近于零，即使系統(tǒng)受到外 部干擾時，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。3. PID算法PID控制的原理是基于下面的算式： 輸出M(t)是比例項，積分項和微分項的 函數(shù)。M(t)匸e(t) + Ke(t)dt +e(t)/dt + Minitla|輸出=比侃壩+積

6、分威+微分項亠靜企輸出項(常數(shù)項)其中:M（t）間的函數(shù)PID回路的輸出，是時KcPID回路的比例增益ePID回路的偏差（設(shè)定值（SV）與過程變量（PV）之差）Mi nitialPID回路的靜態(tài)輸出值為了能讓數(shù)字計算機處理這個算 式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏 差算式，才能用來計算輸出值。數(shù)字計 算機處理的算式如下：Mn=Kc* 綣 + %* 畤卜 *何-） + MSnlllaL輸出=比例項+積分項+徵分項+靜態(tài)箔出項（常數(shù)攻）從這個公式可以看出，積分項是從 第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤 差 項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前 一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當前采樣 的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，

7、不保存所有 的誤差項，其實也不必要。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個過程采樣 值必須計算一次輸出值，只需要保存前 一次過程值(PVn-1)和積分項前值。利用 計算機處理的重復(fù)性，可以將以上算式 變換為：SV - PVn) + (K：爭(SV - PVJ + MX) M (PI - PV ) + M 閘詢輸出=比例項+積分項+皺分項+靜態(tài)輸出項(常數(shù)項)其中：Mn在第n采樣時刻，PID回路的輸出計算值SVPID回路設(shè)定值PVn在第n采樣時刻的過程變量值PVn-1在第n 1采樣時刻的過程變量值MX積分前項值MintialPID回路的靜態(tài)輸出值KcPID回路的比例增益KI積分項的比例常數(shù) KI=

8、Kc*Ts / TiTs 是離散化時的采樣時間間 隔 Ti 是積分時間參數(shù)； KD 微分項的比例常數(shù) KD=Kc * Td / TsTs 是離散化時的采樣時間間 隔 Td 是微分時間參數(shù)；從上面 PID 的算式，可以分析三個基本 參數(shù) Kc, KI, KD 在實際控制中的作用：1) 比例調(diào)節(jié)作用：比例項按比例反應(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)作用用以減少偏差。 比例作 用大， 可以加快調(diào)節(jié)， 減少偏差。 但是過 大的比例調(diào)節(jié)， 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， 甚 至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。2) 積分調(diào)節(jié)作用： 積分項消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 誤差， 提高無差度。 只要有偏差， 積分就 進行，

9、直到無偏差時，積分運算才停止， 積分調(diào)節(jié)項輸出一常數(shù)值。 積分作用的強 弱取決于積分時間常數(shù) Ti ，Ti 越小，積 分作用越強。積分控制可提高系統(tǒng)的無差 度，但積分項輸出響應(yīng)緩慢， 使得系統(tǒng)調(diào) 節(jié)時間增長。( 3) 微分調(diào)節(jié)作用： 微分項反映系統(tǒng)過程變 量的變化率(PVn-1-PVn) / Ts),具有 預(yù)見性， 能預(yù)見變化的趨勢， 因此，能產(chǎn) 生超前的調(diào)節(jié)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。在微分時間參數(shù) Td 選擇合適的情況下,可以減少超調(diào), 減少調(diào)節(jié)時間。微分調(diào)節(jié)對干擾有放大效 果,過強的微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。 此外,微分項反映

10、的是過程變量的變化 率,而當過程變量沒有變化時, 微分調(diào)節(jié) 輸出為零。 微分調(diào)節(jié)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 調(diào)節(jié)器。以上面的推導(dǎo), C 程序如下/*pid 算法 C 源程序,還有實現(xiàn) pid 自動調(diào)整。 51 用于控制溫度 26-100 攝氏度。TIME:2011-07-29 20:15:07*/ #include <stdlib.h>#include "global_varible.h" /* 模塊名 : PID* 描述 : PID 調(diào)節(jié)子程序*采用 PID-PD 算法。在偏差絕對值大于厶e時，用PD算法，以改善動

11、態(tài)品質(zhì)。* 當偏差絕對值小于 e時，用PID算 法，提高穩(wěn)定精度。*PIDout=kp*e(t)+ki*e(t)+e(t-1)+.+e(1)+kd*e(t )-e(t-1)* 入口 :無* 出口 :無* 改變 :PID_T_Run= 加熱時間控制*/*void PID_Math(void)signed long ee1;/偏差一階/signed long ee2;/偏差二階signed long d_out; / 積分輸出if(!Flag_PID_T_OK)return;Flag_PID_T_OK = 0;Temp_Set = 3700; /溫度控制設(shè)定值 37.00 度PID_e0 = Te

12、mp_Set - Temp_Now; /本次偏 差ee1 = PID_e0 - PID_e1; /計算一階偏差/ee2 = PID_e0-2*PID_e1+PID_e2;/計算二階偏差/一階偏差的限制范圍if(ee1 > 500) ee1 = 500;if(ee1 < -500) ee1 = -500;PID_e_SUM += PID_e0;/偏差之和/積分最多累計的溫差if(PID_e_SUM > 200) PID_e_SUM = 200; if(PID_e_SUM < -200) PID_e_SUM = -200; PID_Out = PID_kp * PID_e0

13、 + PID_kd * ee1; /計算 PID 比例和微分輸出if(abs(PID_e0) < 200)/如 果 溫度相差小于 1.5 度則計入 PID 積分輸出if(abs(PID_e0) > 100)/如 果 溫度相差大于 1 度時積分累計限制if(PID_e_SUM > 100) PID_e_SUM = 100;if(PID_e_SUM < -100) PID_e_SUM = -100;d_out = PID_ki * PID_e_SUM; / 積 分輸出if(PID_e0 < -5)/ 當前溫度高于設(shè)定溫度 0.5 度時積分累計限制 if(PID_e_SUM > 150) PID_e_SUM = 150;if(PID_e_SUM > 0) d_out >>= 1; / 當前溫度高于設(shè)定溫度 0.5 度時削弱積分正輸出PID_Out += d_out;/PID 比例 ,積分和微分輸出elsePID_e_SUM=0;PID_Out /= 100;/ 恢 復(fù) 被PID_Out 系數(shù)放大的倍數(shù)if(PID_Out > 200) PID_Out=