溫度控制的PID算法及C程序?qū)崿F(xiàn)

1、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(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的描述。1 溫度控制的框圖這是一個(gè)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(guò)溫度采集單元反饋回來(lái)的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)（PV）獲取偏差值（EV）,偏差值經(jīng)過(guò) PID調(diào)節(jié)器運(yùn)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(dāng)某一時(shí)刻爐內(nèi)過(guò)PCB板較多，帶走的熱量較多時(shí)，即導(dǎo)致溫區(qū)溫度下降，這時(shí)，通過(guò)反饋的調(diào)節(jié)作用，將使溫度迅速回升。其調(diào)節(jié)過(guò)程如下：溫度過(guò)程變量色（FV 度偏差值A(chǔ)AAPID調(diào)節(jié)脈國(guó)態(tài)繼電器與發(fā)

2、烈管沖輸出寬度輸出功率|溫區(qū)溫度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(dāng)SSR的觸發(fā)角觸發(fā)時(shí)，電源電壓Uan通過(guò)SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩 端；當(dāng)SSR的觸發(fā)角沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)， 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(gè)周期T中，SSR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0 1之間。一般是周期 T固定不便，調(diào)節(jié)t,當(dāng)t在0 T的范圍內(nèi)變化時(shí)， 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)器的算式在這里的實(shí)質(zhì)

3、即是運(yùn)算求出一個(gè)實(shí)時(shí)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(gè)較小的范圍內(nèi)變化的合理的負(fù)載電壓系數(shù)K。發(fā)熱管K8KW簡(jiǎn)單的固態(tài)繼電器加熱電路脈寬調(diào)制電壓輸出示意圖2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，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

4、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。Temp 色）（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，SSR與發(fā)熱管處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過(guò)控制參數(shù)“加速速率”，SSR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，如上圖所示。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, SSR關(guān)閉；要么

5、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(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(0 100%),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)。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(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。M(t)=Kc* e(t) + Ke(t)dt + K匚* e(t)/dt +輸出一比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)+靜態(tài)輸岀項(xiàng)(常數(shù)項(xiàng))其中：M(t)PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)KcPID回路的比例增益ePID回路的偏差(設(shè)定值(SV)與過(guò)程變量(P

6、V)之差)MinitialPID回路的靜態(tài)輸出值為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)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(lái)計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)+靜態(tài)輸岀項(xiàng)(常數(shù)項(xiàng))從這個(gè)公式可以看出，積分項(xiàng)是從第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期所有誤差 項(xiàng)的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項(xiàng)僅是當(dāng)前采樣的函數(shù)。 在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，不保存所有的誤差項(xiàng)，其實(shí)也不必要。由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣 開(kāi)始，每有一個(gè)過(guò)程采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只需要保存前一次過(guò)程值(PV n-1)和積分項(xiàng)前值。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性，可以將以上算式變換為：M廣牟機(jī) SV - PVJ

7、 + (K.來(lái)(SV - PVn) + MX)(P為-PVJ + Minitial輸岀=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)十微分項(xiàng)一靜態(tài)輸出項(xiàng)(常數(shù)項(xiàng)其中：Mn在第n采樣時(shí)刻，PID回路的輸出計(jì)算值SVPID回路設(shè)定值PVn在第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值PVn-1在第n 1采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值MX積分前項(xiàng)值MintialPID回路的靜態(tài)輸出值KcPID回路的比例增益KI積分項(xiàng)的比例常數(shù) KI=Kc * Ts / TiTs是離散化時(shí)的采樣時(shí)間間隔Ti是積分時(shí)間參數(shù)；KD微分項(xiàng)的比例常數(shù)KD=Kc * Td / TsTs是離散化時(shí)的采樣時(shí)間間隔Td是微分時(shí)間參數(shù)；從上面PID的算式，可以分析三個(gè)基本參數(shù)Kc, KI, K

8、D在實(shí)際控制中的作用:(1) 比例調(diào)節(jié)作用：比例項(xiàng)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(guò)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(xiàng)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。只要有偏差，積分就進(jìn)行，直到無(wú)偏差時(shí)，積分運(yùn)算才停止，積分調(diào)節(jié)項(xiàng)輸出一常數(shù)值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti, Ti越小，積分作用越強(qiáng)。積分控制可提高 系統(tǒng)的無(wú)差度，但積分項(xiàng)輸出響應(yīng)緩慢，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。(3) 微分調(diào)節(jié)作用：微分項(xiàng)反映系統(tǒng)過(guò)程變量的變化率(PVn-1-PVn) / Ts),具有預(yù)

9、見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)變化的趨勢(shì)，因此，能產(chǎn)生超前的調(diào)節(jié)作用，在偏差還沒(méi)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(dòng)態(tài)性能。在微分 時(shí)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(shí)間。微分調(diào)節(jié)對(duì) 干擾有放大效果，過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分項(xiàng)反映的 是過(guò)程變量的變化率，而當(dāng)過(guò)程變量沒(méi)有變化時(shí)，微分調(diào)節(jié)輸出為零。微分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)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(shí)現(xiàn) pid自動(dòng)調(diào)整。51用于控制溫度26-100攝氏度。TIME:2011-07-29 20:15:07*/#in clude #i

10、n cludeglobal_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(duì)值大于e時(shí)，用PD算法，以改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)。* 當(dāng)偏差絕對(duì)值小于 e時(shí)，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(wú)* 出口 :無(wú)* 改變 :PID_T_Run= 加熱時(shí)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(!Fl

11、ag_PID_T_OK) return;Flag_PID_T_OK = 0;Temp_Set = 3700; / 溫度控制設(shè)定值 37.00 度/計(jì)算一階偏差/計(jì)算二階偏差PID_e0 = Temp_Set - Temp_Now; /本次偏差 ee1 = PID_e0 - PID_e1;/ee2 = PID_e0-2*PID_e1+PID_e2;/偏差之和/一階偏差的限制范圍 if(ee1 500) ee1 = 500; if(ee1 200) PID_e_SUM = 200; if(PID_e_SUM -200) PID_e_SUM = -200; PID_Out = PID_kp * PI

12、D_e0 + PID_kd * ee1; if(abs(PID_e0) 100) if(PID_e_SUM 100)/計(jì)算 PID 比例和微分輸出/如果溫度相差小于1.5 度則計(jì)入 PID 積/如果溫度相差大于1 度時(shí)積分累計(jì)限制PID_e_SUM = 100;d_out = PID_ki * PID_e_SUM; if(PID_e0 -5)if(PID_e_SUM 150) PID_e_SUM = 150;分正輸出/PID 比例 ,積分和微分輸出PID_Out += d_out; elsePID_e_SUM=0;PID_Out /= 100;if(PID_Out 200)PID_Out=200;if(P