基于PID的溫度控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

班小強(qiáng)

摘 要：PID控制是自動(dòng)控制中常見的方法，在調(diào)節(jié)過程中可以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性，PID 參數(shù)的調(diào)整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此設(shè)置要合理。PID控制方式有許多種，使用PLC的PID指令完成的這種方式即簡(jiǎn)單又方便實(shí)用，是主要控制的方式。

關(guān)鍵詞：PID調(diào)節(jié) 閉環(huán)控制系統(tǒng) 偏差值 PID指令 模擬量輸入模塊

Research and Application of Temperature Control System Based on PID

Ban Xiaoqiang

Abstract：PID control is a common method in automatic control. It can solve the stability， rapidity and accuracy of the system during the adjustment process. The adjustment of PID parameters is very important， which mainly analyzes the PID algorithm and research， so the setting should be reasonable. There are many kinds of PID control methods. This method is simple， convenient and practical， and is the main control method.

Key words：PID adjustment， closed loop control system， deviation value， PID instruction， analog input module

1 PID控制介紹

什么是PID控制，其實(shí)PID控制就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控量能夠快速而準(zhǔn)確的無限接近于控制目標(biāo)的一種控制手段。其中P是比例環(huán)節(jié)，I是積分環(huán)節(jié)，D是微分環(huán)節(jié)，把這種比例積分微分控制的方式叫PID控制或者是PID調(diào)節(jié)。

2 PID控制原理

PID控制由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好以及調(diào)節(jié)方便而廣泛應(yīng)用。PID控制是一個(gè)模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)。其控制原理圖如下：

PID控制的主要裝置是控制器，由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)三種規(guī)律控制組合在一起，其控制原理是把經(jīng)過控制器的輸出量C（S）通過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而加到被控量上，而控制系統(tǒng)的被控量、經(jīng)過傳感器、變送器等裝置也就是反饋環(huán)節(jié)（H（S））在通過輸入接口送到控制器中，使設(shè)定值與反饋值形成一個(gè)偏差值，只要有偏差值，控制就會(huì)存在，直到被控制與設(shè)定值相同，使得偏差值為零也就是達(dá)到平衡才停止控制。在搭建不同的控制系統(tǒng)時(shí)，采用的元器件是不同的，例如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器，電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器等，采用傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件各不相同的，因此PID控制可以實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位、速度、流量等模擬量的控制。隨著PLC的廣泛使用，PID控制功能實(shí)現(xiàn)是通過編制PID運(yùn)算程序，使用可編程控制器（PLC）的軟件編程來實(shí)現(xiàn)，這也是工業(yè)控制的主要的控制方式。

3 PID控制參數(shù)調(diào)整

PID 參數(shù)的調(diào)整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此設(shè)置要合理。PID參數(shù)的調(diào)整應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)調(diào)，比例環(huán)節(jié)P的控制是PID控制中最基本的控制，比例增益P越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，反應(yīng)越快，但由于慣性的存在，即使調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值狀態(tài)時(shí)，輸出也不能立即停止，導(dǎo)致超調(diào)，這樣就要反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩，也就是會(huì)有余差。比例系數(shù)P越大，控制能力越強(qiáng)，容易引起震蕩。所以要引入積分環(huán)節(jié)I，積分環(huán)節(jié)的作用是把經(jīng)過比例增益P放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大（或減?。?，進(jìn)而減緩其變化速度，控制精度得到提高，但是如果所加積分時(shí)間I太長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，被控量難以迅速恢復(fù)。積分環(huán)節(jié)I的取值與控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Ti有關(guān)，時(shí)間常數(shù)Ti較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些;時(shí)間常數(shù)Ti較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。微分環(huán)節(jié)D與微分時(shí)間Td有關(guān)，是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Td較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些;控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T d較大時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)一些。微分環(huán)節(jié)D對(duì)比例環(huán)節(jié)P起到補(bǔ)償作用，抑制超調(diào)，減少波動(dòng)。

PID調(diào)整方式是在系統(tǒng)調(diào)試過程中最先確定的是比例系數(shù)P的值，如果被控量在目標(biāo)值附近振蕩，就要加大積分時(shí)間Ti，還有振蕩，逐漸減小比例系數(shù)P。若被控量振蕩幅度很大，就要加大比例系數(shù)P。整個(gè)控制過程恢復(fù)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，就要減小積分時(shí)間I，或加大微分時(shí)間D。系統(tǒng)調(diào)試是一個(gè)反復(fù)的過程，空載調(diào)試、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。

4 舉例說明

控制系統(tǒng)中PID控制方式有許多種，有硬件方式的， PID電子電路，像DDZ型調(diào)節(jié)器，這種控制成本低，響應(yīng)快，但是調(diào)節(jié)困難。有使用軟件方式的，使用PLC的PID指令完成的，這種方式簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用，為主要控制的方式?，F(xiàn)舉例說明，如PID的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一款智能烤爐，采用PID控制調(diào)節(jié)溫度，要求溫度輸出值為350度，溫度上下允許波動(dòng)1度，在PID溫度控制中，控制系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)上采用三菱FX1N PLC、三菱模擬量輸入模塊FX0N-3A模擬量輸入模塊、溫度變送器、固態(tài)繼電器、熱電偶、加熱管。軟件程序的實(shí)現(xiàn)方式采用三菱PLC的PID指令編制梯形——[PID S1.S2.S3.D]。S1.操作數(shù)是PID控制設(shè)定值存儲(chǔ)字單元;S2.操作數(shù)是PID控制測(cè)定值存儲(chǔ)字單元;S3.操作數(shù)是PID控制參數(shù)存儲(chǔ)字單元首址;D操作數(shù)是PID控制輸出。

通過FX0N-3A模擬量輸入模塊時(shí)刻采集溫度變送器的值，間接采集到熱電偶的溫度值，通過PID指令的運(yùn)算結(jié)果時(shí)刻控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，間接控制了加熱管的發(fā)熱量，從而實(shí)現(xiàn)了通過PID指令閉環(huán)控制溫度的過程。系統(tǒng)硬件搭建好后，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的變送器和熱電偶的參數(shù)對(duì)模擬量輸入模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，采用電流輸入方式。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試采樣幾組數(shù)據(jù)，選擇最佳的PID參數(shù)。

（1）采樣時(shí)間=200ms，P=6000，I=2000， D=10，測(cè)出實(shí)際溫度上偏差352，下偏差347，溫度的偏差為+2、-3。

（2）采樣時(shí)間=2000ms，P=1000，I=2000， D=10，測(cè)出實(shí)際溫度上偏差352，下偏差344，溫度的偏差為+2、-6。

（3）采樣時(shí)間=2000ms，P=6000，I=1000， D=10，測(cè)出實(shí)際溫度上偏差357，下偏差342，溫度的偏差為+7、-8。

（4）采樣時(shí)間=2000ms，P=6000，I=2000， D=0，測(cè)出實(shí)際溫度上偏差354，下偏差346，溫度的偏差為+4、-4。

（5）采樣時(shí)間=2000ms，P=6000，I=2000， D=10，測(cè)出實(shí)際溫度上偏差351，下偏差349，溫度的偏差為+1、-1。

經(jīng)過測(cè)試得出最后一組數(shù)據(jù)控制的偏差比較小基本達(dá)到了PID對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。在對(duì)5組數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)PID控制溫度時(shí)，減小采樣時(shí)間，PID輸出上下波動(dòng)比較大，增加采樣時(shí)間PID輸出值變化比較平穩(wěn)。增加比例系數(shù)，溫度變化時(shí)控制器可以快速的加以調(diào)整，減小比例系數(shù)時(shí)控制器調(diào)整起來比較慢。增加積分系數(shù)，PID輸出上下波動(dòng)比較小，減小積分系數(shù)時(shí)PID輸出波動(dòng)比較大。增加微分系數(shù)，特別是溫度在有下降的趨勢(shì)時(shí)，立刻就可以看到PID輸出增加，減小微分系數(shù)時(shí)隨著溫度的變化PID輸出值變化的很緩慢。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)即使溫度達(dá)到了設(shè)定值，PID運(yùn)算輸出也是有一個(gè)輸出值，在這個(gè)輸出值附近上下微小波動(dòng)，使得固態(tài)繼電器始終有一個(gè)小的輸出來維持當(dāng)前的溫度，因?yàn)楣虘B(tài)繼電器始終有輸出，所以加熱管一直在發(fā)紅，利用紅外輻射來烤制。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，PID控制的應(yīng)用也越來越廣泛，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)在更新發(fā)展，出現(xiàn)智能PID控制，在將來會(huì)有更好的控制器來實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。

參考文獻(xiàn)：

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