PID温度控制系统设计应用研究

渠长威++朱性福++蒋海洋

摘要：现代工业化生产中，温度是各项控制参数中十分重要的一项，与工业安全生产、生产效率、节约能源有着直接联系，温度控制不好很可能导致整个生产的失败。而温度控制的实现方法和工具比较多样化，PID是最常用的一种控制算法，因其结构简单、稳定性好、调节方便而成为工业控制的主流技术之一。但实际的工业生产中，控制对象往往有着不确定性、非线性、时变性等，PID往往由于复杂的数学模型，在温度控制上存在一定的局限。本文对PID温度控制系统展开研究，对PID的基本原理进行介绍，并结合了模糊控制的方法，结合PID形成模糊PID控制，研究这一温度控制系统。

关键词：PID；温度控制；参数；采集

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0021-01

1 前言

PID控制是比例、积分、微分控制的简称，其发展历史悠久，控制原理简单、直观，而且有很好的控制性能，具有较高的性价比，在工业温度控制过程中被广泛使用。液压油是工厂液压系统的工作介质，其稳定的工作需要保持在合理的温度范围内，一般工厂的液压系统工况温度在35℃～55℃之间。当温度过高时，系统的氧化速度加快，将会大大降低液压油的寿命，也容易造成橡胶密封件快速老化，带来一定的泄露风险，而另一方面，如果温度过低，则会导致液压泵起动和吸入困难，流阻增大。可见在工业化的生产过程中，液压的温度控制极为关键，传统的温度控制系统智能化不足，准确度和稳定性不足，PID控制具有一定的稳定性和准确性，本文也将就这一控制方式进行分析。

2 PID控制原理分析

PID控制方法主要由控制器和被控对象组成，其中给定明确的r（t）和实际输出值c（t）是控制偏差，基于PID控制方法对偏差进行比例、积分、微分的运算，实现最终的控制目标。

比例作用关乎到PID控制的稳定性，响应速度等指标，比例调节的特点在于当系统有偏差时可以迅速的响应降低偏差，其值越大，调节反应速度也越快，但如果过大则会影响稳定性，过小则会导致其修正作用降低。

积分增益关乎于控制的精度，当误差存在，积分增益将发挥重要的作用，可以消除出比例控制的静差。增大时可以减小静差，而过大时会导致稳定性下降。

微分增益主要作用是预测误差的变化趋势，改善动态响应特性，减少调节时间，并且对噪声干扰有一定的放大作用因而需要控制微分增益，防止过大而影响控制器的干扰稳定性。由于PID的三个参数可以相互补偿，这也决定了PID控制器参数的选取的灵活性。

模糊控制是人们在采用手动控制方式的基础上，综合给定量和被控制量之间的偏差，基于控制信号的对被控对象的控制作用，实现人脑决策的一种控制理论方法。人的控制行为可以通过语言描述来形成控制法则，用模糊集合来描述这些语言的规则，使得控制机理和策略易于接受与理解，并且不被复杂的数学模型所制约，起到增强控制系统的适应能力，将模糊控制和PID结合，可以适应复杂的工况和高指标的控制，并且相对于常规的PID控制响应时间更短、超调量更小，拥有较好的适应性，实现更加智能化的控制目的，实现对温度的调节。

3 PID控制设计

3.1 硬件架构

主控制芯片采用嵌入式微处理器AT9lRM9200，包含了檢测、显示、通讯、存储、电源、数据交换等模块内容。其中温度穿感激收集温度信号，经过控制算法经过数据转换模块输出到执行机构，经过PID模糊控制来实现控制温度的目的。

（1）温度检测模块。温度检测是信号端发挥着重要的作用，主要是对控制对象进行温度检测，并将温度检测结果传输到中心处理器。温度检测可以采用热电偶温度数字转换芯片，如冷端补偿的K型热电偶MAX6675，具有高精度和高稳定性。（2）存储模块。存储模块主要由NORFlash、SDRAM、NANDFlash三部分组成。SDRAM是操作系统和应用程序的运行空间，可以理解为一个电容，总是倾向于放电。NANDFlash主要存储采集的数据以及应用程序，NORFlash用来存储系统启动程序和系统内核。（3）通讯与显示模块。通讯模块主要是为了实现数据的交换，由串口电路，JTAG电路和以太网接口电路三部分组成。显示模块主要用于以通过观察输入输出温度的实时显示数据。

3.2 处理流程

数据采集完成之后，需要对液压设备温度进行控制，防止过高或者过低。控制器采用上述的PID控制，通过设置参数，对比例P、积分I、微分D进行初始化，设定和控制温度。采用模糊PID控制算法对检测到的温度数据进行处理，设计和确定模糊控制表，将其存储进入主控制芯片处理器，最后通过模糊控制来调节温度的自动控制。

4 结语

常规的PID控制方法有着一定的稳定性，响应速度快，但在工业生产中，温控系统往往会呈现出非线性、时变性和滞后性，这就使得常规的PID控制下难以适应多变的环境工况。模糊控制具有一定的优势，不被复杂的数学模型所制约，有着较好的适应能力，模糊控制和PID的结合，有效的提高了系统对非线性、时变性和不确定性的处理能力，实现更高效率的智能化控制。

参考文献

[1]倪洪启，王帅军，王树强，王建彬，王凤双.BP神经网络PID控制对液压控制系统的改进[J].锻压技术，2015，40（11）：67-70.

[2]朱祖灿，张果，王剑平.液压控制系统的模糊-PID法研究[J].计算机测量与控制，2014，22（8）：331-332.