恒溫箱的PID控制

1、恒溫箱的PID控制III摘要：為滿足生產(chǎn)生活中對穩(wěn)定溫度的需求，恒溫箱是必不可少的。用PID調(diào)節(jié)方法控制恒 溫箱的溫度，保證溫度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)穩(wěn)定。在完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，采用PID整定方法或通過 改良PID控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求，并在調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)、整理如何調(diào)節(jié)PID參數(shù)相對 最優(yōu)。Abstract:To meet the needs of production in the life of stable temperature, constant temperature box is the temperature of the incubator with the PID method,

2、guarantee the stability of the temperature within the scope of the the basis of completing the task, using PID setting method or through improved PID controller to realize steady, accurate, fast, and found in the process of adjusting and sort out how to adjust the relative optimal PID parameters.關(guān)鍵詞

3、：PID，恒溫箱，整定方法Key word：Proportion Integration Differentiation,incubator,Setting method目錄: TOC o 1-5 h z 恒溫箱的PID控制1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 一、引言：3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)簡介3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 恒溫箱工作流程3 HYPERLINK l bookmark19 o Current

4、 Document 二、理論基礎(chǔ)：4 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 控制原理4 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用5 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 三、 溫度控制系統(tǒng)模型建立5 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)方框圖5 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 溫度系統(tǒng)模型6 HYPERLINK l boo

5、kmark63 o Current Document 四、PID溫度控制器分析設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document PID建模6 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document simulink 仿真8 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 系統(tǒng)改良9 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 五、結(jié)論11一、引言:在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，經(jīng)常需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境，因此恒溫箱或者說是恒溫系 統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的溫度

6、控制以簡單的PID來實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的PID調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn) 定性好，可靠性高，易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，其主要問題是參數(shù)整定問題但是對環(huán)境條件和控 制參數(shù)較敏感，并且超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間之間存在一定矛盾難以協(xié)調(diào)一致，所以較難達(dá)到理想 的效果。但是，引入改良型的PID控制器可以在一定程度上優(yōu)化控制效果，使系統(tǒng)具有較好 的適應(yīng)性和抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定性的溫度控制。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)簡介恒溫箱的原理其實(shí)比較簡單，關(guān)鍵的控制部分有三個(gè)：1.溫度探頭2.制冷壓縮機(jī)3.加熱器，有的用紅外線加熱，或直接用電阻絲加熱。溫度探頭的測量端伸在恒溫箱內(nèi)部的空氣中，不能與物體或是箱體接觸，實(shí)時(shí)監(jiān)測箱內(nèi) 的溫度，在控制面

7、板上,可以設(shè)置恒溫箱的恒溫范圍。當(dāng)探頭檢測到溫度低于下限時(shí),開啟加 熱器加熱.溫度開始回升.當(dāng)探頭檢測到溫度高于上限時(shí),開啟制冷壓縮機(jī)制冷，溫度下降.如 此來回控制。本文主要討論高溫恒溫箱（一般高于60。0,執(zhí)行單元以加熱器為主。恒溫箱工作流程二、理論基礎(chǔ):控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖 如圖2所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，對誤差信號額e(t)分別進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，三個(gè)作用分量之和作為控制信號輸出給被控制對象。PID控制器的微分方程數(shù)學(xué)模型為：u() = K e(t) +商e()dt

8、+ d 7()K 比例系數(shù)T 積分系數(shù)T 微分系數(shù)p T 0dt pidiu(t)作為PID控制器的輸出信號送到被控對象，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制；系統(tǒng)誤差信號定義為：e(t) = r(t) -c(t)，r(t)是系統(tǒng)的給定輸入信號；c(t)是系統(tǒng)的被控量。PID控制器的傳遞函數(shù)模型：G (s) = K (1+上 + T s)cp Ts di由上式可知：當(dāng)丁廣0、T = 8時(shí)，則有G (s) = K，此時(shí)為比例(P)控制器；當(dāng)T= 8時(shí)，則有G (s) = K (1+ Tds)此時(shí)為比例微分(PD)控制器，如將其作為校正器， 相當(dāng)于超

9、前校正器；當(dāng)T =0時(shí)，則有：G (s) = K (1+!)此時(shí)為比例微分(PI)控制器，如將其作為校正器，dc p T si相當(dāng)于滯后校正器;當(dāng)K。0、T。0、T。8時(shí)，則有：G (s) = K (1+- + T s)稱為全PID控制器。Pdicp Ts dic(t被控對象u(t微分比例圖2 PID控制原理圖+積分r(te(t控制器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生 控制作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti，T越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化

10、趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在 系統(tǒng)中引入一個(gè)有效地早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。三、溫度控制系統(tǒng)模型建立恒溫箱溫度控制系統(tǒng)方框圖圖3溫度控制方框圖溫度系統(tǒng)模型工業(yè)生產(chǎn)過程中的大多數(shù)控制對象可以近似地用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來表示，其傳e -TsG (s) = K遞函數(shù)為：Ts +1式中：K為放大系數(shù)；T為過程時(shí)間常數(shù)；t為純滯后時(shí)間通過查閱資料，被控對象恒溫箱溫度傳遞函數(shù)為;4.4e -20sG (s)=340s +1根據(jù)上式設(shè)計(jì)PID控制器，并通過對系統(tǒng)調(diào)節(jié)得到最佳的系統(tǒng)整定效果。PID溫度控制器分析設(shè)計(jì)4.4e -20 sPID建模G (s)=由于該

11、開環(huán)傳遞函數(shù)340s +1帶有時(shí)間延遲，所以這里要用時(shí)間延遲系統(tǒng)的頻率分析方法。延遲特性的傳遞函數(shù)如下:幅相特性幅頻特性|G| = 1(20log |G| = 0dB)相頻特性/G = -TW帶有純時(shí)間延遲的連續(xù)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型可以寫成G(s)=4伽”機(jī) e-Ts = G (s)e-Tssn + asn-1 + a11nT為延遲時(shí)間常數(shù)；G1(W為不帶時(shí)間延遲的傳遞函數(shù)模型。所以，帶時(shí)間延遲的系統(tǒng)相當(dāng)于在不帶時(shí)間延遲的傳遞函數(shù)模型后面串接一個(gè)純時(shí)間延遲環(huán)節(jié)e-Ts1892年由法國數(shù)學(xué)家Pad e提出的一種著名的有理近似方法，表達(dá)式為：1-S/2+p (s)2 -p (s)3 +p (TS

12、)n +e-s M12nA1+Ts/2+p(s)2 +p2(3 +%(命+其中p1 p2成為Pade近似系數(shù)。由此可知，純延遲時(shí)間函數(shù)可以用這種近似方法求取傳遞函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)使用這種方 法對應(yīng)的MATLAB控制系統(tǒng)工具箱中提供的函數(shù)pade（）求得并繪制系統(tǒng)開環(huán)開環(huán)傳4.4e-20sG (s)=遞函數(shù) 340s +1的Bode圖以及Nyquist曲線。20100-10-20-30-400Bode Diagram-360-720-1080-144010-310-210-1Frequency (rad/s)10-4代碼：G=tf,340,1,iodelay,20);bode(G);grid on2.

13、5Nyquist DiagramI0.5-0.:I-2.5-1012345Real Axis代碼：G=tf,340,1,iodelay,20)；nyquist(G)；grid on由nyquist圖得到，R=0，由開環(huán)傳遞函數(shù)得P=0，所以Z=0。 綜上所述，溫度控制系統(tǒng)開環(huán)穩(wěn)定。simulink 仿真Eile dit 置如 Emulation Fannat Tools Htlp |0SR辱 其匪唁|中 令|口口1|卜時(shí)-際MP |國邕囹參if?： ftX V &TC M系統(tǒng)改良引入微分先PID控制，結(jié)構(gòu)圖如圖IfgrsiorA |DerivEiimG fl03+1匚g從圖中可以看出，引入微分先行PID控制器得到的階躍響應(yīng)結(jié)果與普通PID相比，超調(diào)更 小，調(diào)節(jié)時(shí)間更短。五、結(jié)論P(yáng)ID在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)镻ID控制具有易于調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定，相對簡單 等優(yōu)點(diǎn)。本文通過對恒溫箱PID控制的研究展現(xiàn)了 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)及一些特性。通過本文實(shí) 例不難看出，不經(jīng)改良的PID控制器的性能較差，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，而經(jīng)過微分先行