基于数字PID温度自动控制系统的应用分析

陈乐 张健

摘 要：该文就针对数字PID控制器的基本结构和工作原理进行了简要分析，然后探讨了温度自动控制系统的具体组成，最后阐述了数字PID控制器在温度自动控制系统中的实际应用，希望可以对相关研究工作起到积极助推作用。

关键词：数字PID 温度自动控制系统 原理 组成 应用

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0153-02

PID控制形式不需要对控制系统的数学模型进行求解，算法相对而言比较简单，而且具有较好的可靠性和鲁棒性，在工业生产温度自动控制系统当中具有良好的运用前景。因此，需要加强对温度自动控制系统运用数字PID的研究分析，使其能够在温度自动控制系统中发挥出更大的作用。

1 数字PID控制器的基本系统结构以及工作原理简述

1.1 系统结构

从数字PID控制器的硬件组成系统上来看，其是以PLC可编程控制器作为核心的一种控制器，主要构成部分有工控机、温度控制电路、PLC及控制模块以及报警电路等组成。

1.2 工作原理

在对系统进行温度采样时，往往是在一个采样周期当中，被控系统在4个采集点的温度值通过采集器输入到热电偶扩展模块EM231当中。通过PLC模块录入温度值之后，将其温度均值作为系统控制的实际温度。然后，再利用热电偶模块组成PLC温度控制系统，通过脉宽调制，就可以进一步获取继电器对应的导通时间。由此，通过对继电器导通时间进行控制，就可以实现风扇或是电炉的工作调控，进而达到控制温度的效果。

2 温度自动控制系统主要构成分析

2.1 温度传感器

温度传感器可以进一步划分为热电偶、热电阻这两个部分。热电偶一般是利用两个不同的导体闭合组成的回路，这两个不同的导体在连接点存在不一样的温度时，机会使得回路中产生一个热电动势，这一现象被称之为热电效应。热电阻就是在温度自动控制系统中低温区的一种的常用温度检测器，其是以金属导体的电阻值随热变化的特性进行设计的。基于这一特性，就可以根据热电阻温度的变化情况，判断出该区域温度的变化情况。

2.2 调节单元

在测量所得的温度信号经过转换处理之后，就会被传输给调节器。调节器在接受到对应的温度信号之后，就会将其和系统的预设温度进行对比，以此根据对比结果下达对应的指令，从而对风扇或是电炉形成调节。

2.3 执行单元

一般情况下，执行单元主要是由可控硅电路和喷水装置或是加热装置联合构成的，在系统监测到温度变化之后，若是其超过预设温度，比较电路当中就会产生一个对应的放大电路信号，通过可控硅电路导通，驱动对应装置进行运转工作。当温度达到预期目标会后，又会是放大电路产生的信号逐渐弱化，使其不足以支撑可控硅电路的导通，进而就使得相关装置停止工作，以避免温度继续出现变化。

3 基于数字PID温度自动控制系统的温控算法

3.1 数字化PID控制器

要实现PID温度自动控制系统的设计，可以通过PLC对模拟量实现PID控制，

一般情况下，PID的连续系统控制规律，是进行设计的基础，这也就需要将数字化写成相应的离散控制方程。在这之后，就可以在离散方程的基础上，进行控制程序的设计。从连续系统说来，可以根据输入输出的相关关系对PID控制的关系进行表示，具体的表达方程为：即

在该式中，TD表示微分时间常数，TS表示积分时间常数，KC表示比例系数。PID控制器的输出量用M（t）表示，输出的初始值利用Mo表示，被控变量与给定值之间的误差信号使用e（t）表示。将该式中的各项随意取出一个或是两个，那么就可以组成P、PI或是PD控制器。要是在设置采样周期的时候将周期值设为TS，将系统进行运行的初始时刻设定为t=0，如此就可以进一步使用差分近似得出微分，使用矩形积分近似得出积分。通过这样的方法，就可以实现上述计算式的离散化，进而获取第n采样的输出形式。PID表在计算PID之前需要进行预先设立，其就是把给定值当做过程变量进行输入，可以利用PID指令在回路中进行读取，但是不得对其进行改写。

3.2 转换输入输出变量

在输入这个方面，将A/D转换后得到了整数值，通过16位整数转换为浮点数。此后，需要进一步将得到的实数转化为0.0～1.0之间的标准化实数。与此同时，对过程变量和给定值展开标准化处理。最后，需要将得到的双极性实数进行转换，使其成为处于0.0～1.0之间的实数。

在输出这个方面，也就是PID控制器的输出，一般情况下其输出量是处于0.0～1.0之间的标准化实数。而在回路输出信号传输到A/D之前，必须将其转化，使其成为16位的二进制整数。可以看出，这个过程和输入的转换是刚好相反的，所以在程序的设置上也是相反的。

3.3 参数整定

对参数进行整定，才艺采取扩充临界比例算法的方法进行，通过PLC自整定PID功能，对TD、TS和KC的值进行整体，采样时间可以设定为TS=0.5 s，这样就可以得出PID控制器对应的增益系数，及KC=8，而对应的积分时间常数则为0.75 s，对应的微分时间常数则为0.953 s，具体的响应曲线如图1所示。

从图1中可以判断得出，在经过几个采样周期的调整之后，温度自动控制系统的状态达到稳定，基本上处在控制范围的中心位置，控制效果非常良好。

3.4 比较分析

通过该文论述而言，数字PID控制算法是通过基础的PLC控制模块对被控对象进行控制，就可以进行PID控制。由于核心环节在于温度采样，根据采样时刻的偏差值对控制量进行计算。所以，连续PID算法需要在离散化的状态下才能够进行使用，而不能直接连续使用。在传统的PID控制形式当中，系统在增减设定、结束或是启动时，会在短时间内是系统产生较大的偏差，进而使得控制系统出现较大超调的问题，严重时候可能使系统出现振荡，增大了调节时间。而温度自动控制系统的要求不断升高地情况下，调节器进入深度饱和状态的几率逐渐增大，因此就不允许产生这种问题。所以，数字PID在温度自动控制系统设计中的应用更加重要。

4 结语

温度自动控制系统在工业生产中的运用越来越广泛，其对工业生产的促进作用也越来越突出。所以，需要对数字PID加强研究，明确其系统构成和工作原理，理解温度自动控制系统的基本构成，将数字PID切实运用到温度自动控制系统的设计当中，不断提升温度自动控制系统的控制水平。

参考文献

[1]李建海，张大为，张凯.数字PID控制器在温度控制系统中的应用[J].电子测量技术，2009（4）：100-103.

[2]刘迪，谭春亮，李建海.基于数字PID和89C52单片机的温度控制系统[J].电子设计工程，2010（4）：28-30.