溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、情景8：溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8.4 本情境的任務(wù) 8.2 PID數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn) 8.3 PID參數(shù)的整定8.1 溫度控制系統(tǒng)的組成 8/25/202218.1 溫度控制系統(tǒng)的組成 本情境以自制的溫度試驗(yàn)箱為控制對(duì)象，讓同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)控制過(guò)程是將被測(cè)參數(shù)由傳感器變送器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)ADC0804離散后輸入由微處理器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，再把比較后的差值經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)給量，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。 8/25/20222數(shù)字式溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8/25/202238.2 PID數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn) 在連續(xù)控制系統(tǒng)

2、中，模擬調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，其控制規(guī)律形式如下： 上式表示的調(diào)節(jié)器的輸入和輸出函數(shù)均為模擬量，所以數(shù)字式計(jì)算機(jī)是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接運(yùn)算的。為此，必須將連續(xù)形式的微分方程離散化為差分方程。 8/25/20224取T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，i，k，因采樣周期T相對(duì)與信號(hào)變化周期是很小的，這樣可以用矩形面積法算積分，用向后差分代替微分，即 8/25/20225于是模擬調(diào)節(jié)器經(jīng)離散化后，可寫(xiě)成 將上式化成遞推形式（增量式PID）： 上式是PID增量式控制算式。按照此式，每輸出一次控制量，要做四次加法，兩次減法、四次乘法和兩次除法。若將該式稍加合并整理可寫(xiě)成如下形式： 8

3、/25/20226式中，系數(shù)可先進(jìn)行計(jì)算，然后代入式（8-11）再進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算，單片機(jī)每輸出一次控制量，只要做兩次加法，一次減法、三次乘法。 注意：本次數(shù)字式PID算法必須采用位置式PID算法。8/25/202278.3 PID控制器參數(shù)的整定1采樣周期的選擇香農(nóng)采樣定理告訴我們：只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上時(shí)，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來(lái)的信號(hào)。此定理僅從理論上給出了采樣周期的上限，實(shí)際采樣周期要受到多方面因素的制約。在實(shí)際任務(wù)中，采樣周期受各種因素的影響，有些是相互矛盾的，必須視具體情況和主要的要求作出折衷的選擇。表8-1給出了一些常見(jiàn)控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)采樣周期，

4、可供我們參考。 8/25/20228表8-1 常用被控參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)采樣周期注：本次設(shè)計(jì)要求采樣周期為3秒。8/25/20229響應(yīng)曲線法是整定模擬PID控制器參數(shù)的另一種方法，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法則是在它的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，用于整定數(shù)字PID控制器的參數(shù)。 被控對(duì)象階躍響應(yīng)曲線(a) 單位階躍輸入； (b) 單位階躍響應(yīng) 8/25/202210 (1) 斷開(kāi)數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作， 人為地改變手動(dòng)信號(hào)，給被控對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 (2) 用儀表記錄下被控參數(shù)在此階躍輸入信號(hào)作用下的變化過(guò)程，即對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線。(3) 在響應(yīng)曲線上的拐點(diǎn)處作一切線，該切線與橫軸以及系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的延長(zhǎng)線相交于a、b兩點(diǎn)，過(guò)b點(diǎn)作橫軸的垂線相交于c點(diǎn)，則Oa為對(duì)象等效的純滯后時(shí)間，ac為對(duì)象等效的時(shí)間常數(shù)Tm。(4) 選擇控制度。 (5) 選擇表8-2中相應(yīng)的整定公式，根據(jù)測(cè)得的和Tm求得控制參數(shù)T、Kp、Ti和Td。 (6) 按求得的參數(shù)運(yùn)行，觀察控制效果，適當(dāng)修正參數(shù)， 直到滿意為止。 8/25/202211表8-2 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定計(jì)算公式8/25/202212（一）合理選擇溫度測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)施方案和單元電路；（二）完成溫度測(cè)控系統(tǒng)的控制算法的設(shè)計(jì)；（三）