ＰＩＤ现场实验整定法在温度控制系统中的运用研究

张立众

摘 要：介绍了PID的三个参数在实际控制系统中的作用、设定与调整应用。提出并验证了系统PID现场实验整定法在基于单片机基于键盘设定的温度控制系统中实现PID控制的可行性。

关键词：温度控制；PID ；现场实验整定法

中图分类号：G31文献标识码：A文章编号：1672-3198（2009）01-0362-02お

PID调节是连续系统中技术最成熟,应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值按比例、积分、微分的函数关系进行运算。运算结果用于控制输出。

在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活的改变PID结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等，特别在计算机控制系統中，更可以灵活运用，以充分发挥微型机的作用。PID调试最困难的部分是参数的设定与调整，即指系统PID参数整定方法。

本文介绍了PID的三个参数在实际控制中的作用如何设定与调整，及在实际中如何应用。提出了并实际验证了系统PID现场实验整定法在基于单片机基于键盘设定的温度控制系统中实现PID控制的可行性。

1 系统设计原理及功能

本系统采用典型的反馈式温度控制系统，数字控制器的功能由AT89C51单片机实现。温度控制系统由DS18B20单总线传感器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，热敏电阻选用器mf12-26型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为0~5v标准电压信号，以供A/D转换用。转换后的数字量与与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的pwm波送至ssr,从而改变电烤箱单位时间内电压导通的百分比,从而控制电烤箱加热功率，起到调温的作用。温度控制系统的硬件设计图分别如图1。

1.控制模块：采用ATMEL公司的AT89C51作为控制器的方案；2.温度采集模块：采用数字式温度传感器DS18B20；3.开关电路：采用固态继电器继电器；4.键盘和显示模块：采用独立式键盘；5.电源模块：采用过滤，滤波，稳压等电路实现。

本温度控制系统的对象是电炉，针对日常生活，要求所设计的系统具有软硬件结构简单、成本低廉、可靠性高（即不易出错）等特点。

2 PID参数在实际控制中的作用及设定与调整

（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。（2）积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。（3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能，在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化是，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

参数的设定与调整是PID最困难的部分，编程时按经验值设定他们的大概数值，然后通过反复的参数整定才能找到相对比较理想的参数值。面对不同的控制对象参数都不同，所以我们无法提供参考数值，但是我们可以根据这些参数在整个PID过程中的作用原理，来讨论我们的对策。1 加温很迅速就达到目标值，但是温度过冲很大：a）比例系数太大，致使在未达到设定温度过冲很大；b）微分系数过小，致使对对象反应不敏感；2 加温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多：a）比例系数过小，加温比例不够；b）积分系数过小，对恒偏差补偿不足；3 基本上能控制在目标上，但上下偏差较大，经常波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，反应措施不利；b）积分系数过大，使微分反应被淹没钝化；c）设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点；4 受工作环境影响较大，在稍有变化就会引起温度的波动：a）微分系数过小，对即时变化反映不够快，不能及时反应；b）设定的基本定时周期过长，不能及时得到修正；选择一个合适的时间常数很重要，要根据我们的输出单元采用什么器件来确定，如果是采用可控硅的，则可设定时间常数的范围就很自由，如果采用继电器的则过于频繁的开关会影响继电器的使用寿命，所以就不太适合采用较短周期。一般的周期设定范围是1－10分钟较为合适。

3 系统PID参数整定方法及计算

系统整定是指选择调节器的比例度 、积分时间TI和微分时间Td的具体数值。系统整定的实质，就是通过改变控制参数使调节器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最佳的控制效果。系统的良好控制效果一般要求：瞬时响应的衰减率(0.75-0.9)（以保证系统具有一定的稳定性储备），尽量减小稳态偏差(余差)、最大偏差和过渡过程时间。

工程上得到广泛应用的PID参数整定方法通常有：动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、现场实验整定法等。它直接在过程控制系统中进行，其方法简单，计算简便，而且容易掌握.。在实际应用中，将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后，再作给定位扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的δ、TI、Td值，进行反复凑试，以寻求最佳的整定参数，直到控制质量符合要求为止。

控制器设计总体指标可以概括为：稳、准、快，均衡调节以Kp、Ki、Kd三参数则可一定程度上满足上述三个指标的要求。在控制初期，关键要克服各环节的滞后，为了避免积分饱和造成较大超调，Ki应选的小一些。在控制中期，系统偏差以减小，但为了不过分影响稳定性，Ki可适当增大一些。在调节过程后期，为减小稳太误差，提高控制精度，Ki可选取更大一些。在控制初期，为尽快消除偏差，提高响应速度，Kp应该取大一些；在控制过程中期，为了防止超调过大造成震荡，Kp要减小些；在控制过程后期，则要克服超调，使系统尽快稳定，Kp值要再减小一些。纯大滞后系统在控制中，容易产生超调，使系统失稳。其主要原因是：其时滞阶段对误差的积分太大。因此，为了改善纯大滞后系统的相应特性，对积分因子提出了新的要求。

本次测试温度定值，选用PID参数整定方法中的现场实验整定法。现场实验整定法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。PID控制器各参数对系统的影响是；增大开环比例系数Kp，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差；但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。在现场实验整定法时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。积分时间和比例时间成反比，积分系数大，即积分时间短，导致超调过大。微分系数和微分时间成正比，微分系数过大，即微分时间过大，导致系统不稳定。

4 系统软件设计

软件设计主程序流程图2。其中PID数字控制器是本系统设计的核心，用它对被测参数进行自动调节。

5 控制系统调节时间和超调量调试

1. 测试仪器：秒表、温度计2. 测试方法：由于系统具有温度调节和控制的作用，通过设定欲达到的温度数值，然后对比设定值和实际测量值，测量出系统的最大超调量测量达到设定值所需要的时间（t）以及最终达到终值±0.2℃所需的时间（调节时间）；分析系统响应误差，绘制出系统的响应曲线；完成响应的数据记录。3. 测试数据记录：（1） 测试传感器DP18B20的，其测试数据如表1所示。(2)达到设定值时间的测试（系统的初始温度为30℃，设定值为53℃）；通过5次观察测试系统达到设定所需要的时间如表2所示。(3) 系统最大超调量的测试。通过5次观察测试系统的最大超调量数据如表3所示。(4) 观察系统的稳态误差带通过表1测量所得数据显示值与测量值比较可以看出传感起的误差基本上在±0.1之间，由于所采用的温度计的最小刻度值为2℃，所以用温度计所测量的数值存在较大误差。表2中所测量的数值可以看出系统达到所设定温度所需的时间约为135.2 s（5次测量所的平均时间）。分析表3中数据可以看出系统的最大超调量约为0.3℃，由于所用的无触点固态继电器在较高的工作频率作用下不会像有触电的继电

器会有误操作动作。经过多次观察得出本系统稳态误差为：0.2℃（约为：0.37%）。

6 结语

本系统通过AT89C51单片机，运用数字PID算法，实现了炉温的设定、采集与控制，并且通过键盘可以改变PID控制算法的参数，基本达到了设计的最初要求。由于在实际系统中各方面因素的干扰，往往同一PID参数不能适应各种要求，故设计专门添加了键盘可以改变参数的功能，为系统的调试带来了很大的方便。该系统具有很好的通用性，只要将硬件和软件稍加变动就可控制其他象水位、湿度、转速等工业参数。如加适当的电路系统便可具有温度上下限报警功能等。

参考文献

［1］@吴金戌, 沈庆阳, 郭庭吉.8051单片机实践与应用［M］. 北京：清华大学出版社, 2000, 8. 260-265.

［2］@李建忠编著. 单片机原理及应用［M］. 西安：西安电子科技大学出版社, 2001.

［3］@潘新民, 王燕芳编著. 微型计算机控制技术［M］. 北京：高等教育出版社, 2001.

［4］@何立民编著. 单片机应用系统设计［M］. 北京：北京航空航天大学出版社, 2000.

［5］@韩志军, 沈晋源, 王振波编著. 单片机应用系统设计［M］. 北京：机械工业出版社, 2005.

［6］@楊振江, 杜铁军, 李群编著. 流行单片机实用子程序及应用实例［M］. 西安：西安电子科技大学出版社, 2002.

［7］@周航慈著. 单片机程序设计基础［M］（第二版）. 北京：北京航空航天大学出版社, 2000.