裝 訂 線 2008-2009學年第五學期物理與電子工程學院期中考試卷自動控制原理 （課程論文等試卷樣式） 成績：評語： 基于PID法的溫度控制基于PID法的溫度控制摘要：一種新型的PID溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機芯片，可方便對系統(tǒng)加熱周期T及PID中的個參數(shù)進行線性修改；具有對高低進行報警功能。主要研究PID算法。關鍵字：單片機；溫度控制；PID控制器引言：在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學反應中，溫度往往是一個很重要的量，為了達到所需的精度范圍，采用PID控制，對PID的各種參數(shù)進行整定以滿足不同的場合。一、溫度控制器的主要問題及解決方法1、傳統(tǒng)的溫度控制器的問題傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時，通常達到1000以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高。一般進行溫度控制的電器機械，其控制溫度多在0-400之間，所以，傳統(tǒng)的溫度控制器進行溫度控制期間，當被加熱器件溫度升高至設定溫度時，溫度控制器會發(fā)出信號停止加熱。但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度會高于400，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進行加熱，即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱，被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當下降到設定溫度的下限時，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時候，這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定。通常開始重新加熱時，溫度繼續(xù)下降幾度。所以，傳統(tǒng)的定點開關控制溫度會有正負誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個熱系統(tǒng)的結構性問題，使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差。 2、PID控制解決要解決溫度控制器這個問題，采用PID控制技術，是明智的選擇。PID控制，是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進的數(shù)碼技術通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結合調(diào)整，形成一個模糊控制，來解決慣性溫度誤差問題。 然而，在很多情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫控時，很多人會放棄自動控制而采用調(diào)壓器來代替溫度控制器。但是用調(diào)壓器來代替溫度控制器時，必須在很大程度上靠人力調(diào)節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后靠相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱，勉強運作，但這決不是自動控溫。當需要控溫的關鍵很多時，就會手忙腳亂。這樣，調(diào)壓器就派不上用場，因為靠人手不能同時調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關鍵，只有采用PID模糊控制技術，才能解決這個問題，使操作得心應手，運行暢順。二、該溫控系統(tǒng)的結構和原理：1、系統(tǒng)的結構：系統(tǒng)功能主要實現(xiàn)斷水保護和高水位指示、自動保溫、自動報警及高溫保護功能。用雙排數(shù)碼管分別顯示設計與測量溫度，保溫時間，加熱周期及PID的各參數(shù)，當測量溫度達保溫溫度時，數(shù)碼管顯示設定溫度。當達設定溫度時，數(shù)碼管應該切換到設定的保溫時間，并倒計時。 控制結構圖：2、系統(tǒng)原理：1）、溫度采樣及轉(zhuǎn)化 溫度傳感器100鉑熱電阻在0850C間，其電阻和溫度T的關系為： ：0C時的電阻值，為100 A=3.90802 B=-5.802由于電阻Rt和溫度T之間的關系是非線性的，因此在設計變送器時必須進行線性校正，本系統(tǒng)采用三線制鉑熱電阻測溫電橋電路。輸出電壓U。與電阻Rt之間成近似線性關系。在控制精度范圍內(nèi)有效解決非線性問題。2）、數(shù)據(jù)顯示和鍵盤控制當系統(tǒng)工作時，數(shù)碼管顯示設定溫度和檢測溫度，到達設定溫度范圍內(nèi)采用PID控制算法對溫度進行有效控制，保溫倒計時。用串行方式，可有效消除掃描顯示的抖動問題?？赏ㄟ^鍵盤對PID及加熱周期參數(shù)進行在線設定和修改。三、系統(tǒng)控制算法：1、系統(tǒng)中PID控制算法的設計PID控制目的就是將器件的工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。在控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)有傳感器產(chǎn)生一定的參數(shù)后與預先設定的值比較，把比較得到的差值信號經(jīng)一定的運算規(guī)律得到相應的控制，不停地進行上述的工作，從而達到自動調(diào)節(jié)的目的。PID控制原理的基本方法應系統(tǒng)的不同而不同。本系統(tǒng)采用的積分分離PID控制算法，控制量輸出為位置式的輸出形式。采用此法即保持了積分作用又減少的超調(diào)量，是控制有較大改善。 e(k)、e(k-1)、e(k-2)為此時刻、前一時刻、再前一時刻的差值信號。2、系統(tǒng)中PID 設計的優(yōu)點和方法這種方法的好處在于只需保持前三個時刻的差值信號，同時對控制輸出量的初始值沒有要求，所以很快就可以進入穩(wěn)定控制過程。對于加熱溫度的控制可以采用調(diào)節(jié)電壓或者在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例調(diào)節(jié)加溫控制溫度。本系統(tǒng)采用的是調(diào)節(jié)加熱時間比例的方法:首先設計一個標準加熱周期，比如2分鐘，系統(tǒng)就在這個2分鐘周期內(nèi)對輸出進行控制，也就是說這個兩分鐘加熱多少時間。更據(jù)計算可以讓加溫時間在0-2分鐘內(nèi)變化，比如計算所得在這一個周期內(nèi)加熱1分10秒，經(jīng)過2分鐘后再檢測被加熱物體的溫度，通過計算加熱1分5秒等等，在這除了加熱外就是不加熱，等待下一個周期的到來，再進行實際測量計算下一個周期系統(tǒng)的輸出量，周而復始，不斷地修正輸出量，以達到對溫度的有效控制。增量式PID算法流程圖：四、PID控制器及其算法介紹：比例加積分加微分控制器簡稱PID控制器，它的輸出信號m(t)，與輸入信號e(t)和它的積分微分成比例，即模擬PID控制系統(tǒng)框圖：當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，PID控制可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，從而輸出某個適當?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機構，促使測量值恢復到給定值，達到自動控制的效果。比例運算是指輸出控制量與偏差的比例關系。比例參數(shù)P設定值越大，控制靈敏度越低，設置值越小?？刂旗`敏度越高。例如比例參數(shù)P設定為4%，表示測量值偏離給定值4%時，輸出控制量變化100%。積分運算的目的是消除偏差。只要偏差存在，積分作用將控制向量向偏差消除的方向移動。積分時間是表示積分作用強度的單位。設定的積分時間越短，積分作用越強。例如積分時間設定為240秒時，表示對固定的偏差，積分作用的輸出量達到和比例作用相同的輸出量需要240秒。比例作用和幾分作用是對控制結果的修正作用，響應較慢。微分作用是為了消除其缺點而補充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進行修正，是控制過程盡快恢復到原來的控制狀態(tài)，微分時間是表示微分作用強度的單位，儀表設定的微分時間越長，則以微分作用進行的修正越強。PID模塊的溫度控制精度主要受P、I、D這三個參數(shù)影響。其中P代表比例，I代表積分，D代表微分。比例運算（P）比例控制是建立與設定值（SV）相關的一種運算，并根據(jù)偏差在求得運算值（控制輸出量）。如果當前值（PV）小，運算值為100%。如果當前值在比例帶內(nèi)，運算值根據(jù)偏差比例求得并逐漸減小直到SV和PV匹配（即，直到偏差為0），此時運算值回復到先前值（前饋運算）。若出現(xiàn)靜差（殘余偏差），可用減小P方法減小殘余偏差。如果P太小，反而會出現(xiàn)振蕩。積分運算（I）將積分與比例運算相結合，隨著調(diào)節(jié)時間延續(xù)可減小靜差。積分強度用積分時間表示，積分時間相當于積分運算值到比例運算值在階躍偏差響應下達到的作用所需要的時間。積分時間越小，積分運算的校正時間越強。但如果積分時間值太小，校正作用太強會出現(xiàn)振蕩。微分運算（D）比例和積分運算都校正控制結果，所以不可避免地會產(chǎn)生響應延時現(xiàn)象。微分運算可彌補這些缺陷。在一個突發(fā)的干擾響應中，微分運算提供了一個很大的運算值，以恢復原始狀態(tài)。微分運算采用一個正比于偏差變化率（微分系數(shù)）的運算值校正控制。微分運算的強度由微分時間表示，微分時間相當于微分運算值達到比例運算值在階躍偏差響應下達到的作用所需的時間。微分時間值越大，微分運算的校正強度越強。五、系統(tǒng)中PID參數(shù)的選擇由于PID模塊的溫度控制精度主要受、這三個參數(shù)影響，所以本例中采用了一種簡單實用的方法：比如加熱范圍為0200，若要得到0200之間的加溫比例數(shù)據(jù)，只用考慮簡單的比例控制算法，控制范圍為200度，則設定溫度與實際溫度的差的最大值就是200度，那么就用它去輸出，這是的參數(shù)Kp=1,當為了提高加熱速度，而是受控的區(qū)域縮小，例如只控制40度范圍，如果目標溫度設定為130，這個時候就把計算得到的數(shù)字乘以5就得到0200的數(shù)據(jù)了。假定當前實際測量溫度為115度，則130-115=15，再乘以5得75，這就是作為輸出的比例數(shù)據(jù)。此時Kp=5，再加入微分和積分量，這時Kp可以基本上保持不變。這樣就確定了Kp=基本時間總周期/控制范圍。而對于Ki、Kd就可以在實驗中逐漸摸索確定，最終達到穩(wěn)定點。最后還要注意，在計算結果交付于輸出之前還要進行修改，比如當計算結果大于200度時按200輸出，小于零時按零輸出。六、系統(tǒng)實驗結果對系統(tǒng)進行溫度控制測得的結果所描繪的曲線圖形。橫坐標為采樣時間（分鐘），縱坐標為控制溫度（設定溫度110）。控制效果不錯。七、論文總結：PID控制原理的優(yōu)點在于能夠在控制過程中根據(jù)預先設定好的控制規(guī)律不停地自動控制量以使被控系統(tǒng)朝著設定平衡狀態(tài)過度，最后達到控制范圍精度內(nèi)穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。對于PID控制器和算法在實踐中可以根據(jù)工程控制的具體情況及對超調(diào)量、穩(wěn)定性、響應速度的不同要求，來調(diào)整PID控制器三個參數(shù)的取值范圍，從而得到不同的控制精度和控制效果。我論文主要通過溫度控制研究PID算法的主要特