溫度控制PID自整定原理介紹
整定PID(三模式)控制器
整定溫度控制器涉及設(shè)置比例、積分和微分值,以得到對(duì)特定過(guò) 程的可能的最佳控制。如果控制器不包含自動(dòng)整定算法,或者自 動(dòng)整定算法未提供適合特定應(yīng)用的足夠控制,則必須用試誤法對(duì) 裝置進(jìn)行整定。
下面是溫度控制器的標(biāo)準(zhǔn)整定步驟。也可以采用其他整定步驟, 但都使用類似的試誤法。請(qǐng)注意,如果控制器使用機(jī)械式繼電器 (而非固態(tài)繼電器),開(kāi)始時(shí)應(yīng)使用較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間(20秒)。
可能需要用到以下定義 :
循環(huán)時(shí)間 – 也稱為工作周期,是控制器完成一個(gè)通斷循環(huán)所 用的總時(shí)間長(zhǎng)度。示例: 對(duì)于20秒的循環(huán)時(shí)間,10秒接通時(shí) 間和10秒切斷時(shí)間代表50%的功率輸出。在比例帶內(nèi)時(shí),控 制器將循環(huán)接通和切斷。
比例帶 – 以滿量程的%或度表示的溫度范圍,控制器的比例 作用發(fā)生在此范圍內(nèi)。比例帶越寬,在其內(nèi)發(fā)生比例作用的 圍繞設(shè)定值的區(qū)域越大。有時(shí)也用增益表示,增益是比例帶 的倒數(shù)。
積分,又稱為復(fù)位,是根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)比例帶寬以補(bǔ)償偏離 設(shè)定值的偏移量(固定偏差)的一個(gè)函數(shù),也就是說(shuō),它在 系統(tǒng)穩(wěn)定后將控制的溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定值。
微分,又稱為速率,感應(yīng)系統(tǒng)溫度上升或下降的速率,并自 動(dòng)調(diào)節(jié)比例帶,從而將下沖或過(guò)沖降到最小。
PID(三模式)控制器如果正確整定和使用的話,能具有優(yōu)異的 控制穩(wěn)定性。通過(guò)認(rèn)真遵守這些指示,操作人員便可實(shí)現(xiàn)最快的 響應(yīng)時(shí)間和最小的過(guò)沖。整定這種三模式控制器的信息可能不同 于其它控制器整定步驟。對(duì)于主輸出,通常用自整定功能就可省 去使用此手動(dòng)整定步驟的需要,但是,需要時(shí)可對(duì)自整定值進(jìn) 行調(diào)整。
A.整定加熱控制的輸出
啟用輸出并啟動(dòng)過(guò)程。
過(guò)程應(yīng)在設(shè)定值處運(yùn)行,將用所需熱量輸入讓溫度穩(wěn)定。
在速率和復(fù)位斷開(kāi)的情況下,溫度將穩(wěn)定,并在設(shè)定值和實(shí)際 溫度之間存在穩(wěn)態(tài)偏差,或固定偏差。通過(guò)觀察顯示屏上的測(cè) 量值,密切注意此溫度是否存在規(guī)則的循環(huán)或振蕩。(振蕩可 長(zhǎng)達(dá)30分鐘。)
4.如果溫度沒(méi)有規(guī)則的振蕩,將PB除以2(見(jiàn)圖1)。讓過(guò)程 穩(wěn)定下來(lái),然后再檢查是否有溫度振蕩。如果仍無(wú)振蕩, 再將PB除以2。重復(fù)此操作,直到得到循環(huán)或振蕩。轉(zhuǎn)至 第5步。
5.如果馬上觀察到振蕩,將PB乘以2。觀察得到的溫度幾分 鐘。如果振蕩持續(xù),以系數(shù)2不斷乘PB,直到振蕩停止。
此時(shí),PB非常接近其臨界設(shè)置。小心地增大或減小PB設(shè) 置,直到溫度記錄中剛剛出現(xiàn)循環(huán)或振蕩為止。
如果甚至在1%的最小PB設(shè)置時(shí)過(guò)程溫度仍不發(fā)生振蕩, 請(qǐng)?zhí)^(guò)下面的第6步到第11步,轉(zhuǎn)至第B條。
在已經(jīng)達(dá)到的“臨界”BP設(shè)置下,讀取設(shè)定值與實(shí)際溫度 之間的穩(wěn)態(tài)偏差,或固定偏差。(由于溫度有一點(diǎn)循環(huán), 請(qǐng)使用平均溫度。)
測(cè)量相鄰波峰或波谷之間的振蕩時(shí)間,以分為單位 (見(jiàn)圖2)。使用圖表記錄儀最容易進(jìn)行這種測(cè)量,但可每 隔一分鐘讀取一次測(cè)量值,以掌握時(shí)間。
此時(shí),增大PB設(shè)置,直到溫度偏差(或固定偏差)增大 65%。
用在“臨界”BP設(shè)置下得到的初始溫度偏差乘以1.65或者 使用方便的線列圖I(見(jiàn)圖4)就可計(jì)算出所需的最終溫度偏 差。用試誤法嘗試幾次PB控制的設(shè)置,直到得到所需的最終 溫度偏差。
此時(shí)您已經(jīng)完成了得到控制器最佳性能所需的所有測(cè)量。 只需再做兩項(xiàng)調(diào)整 – 速率和復(fù)位。
使用第7步中測(cè)得的振蕩時(shí)間,按以下方法計(jì)算復(fù)位值, 以每分鐘重復(fù)次數(shù)為單位。
將此值輸入給RESET 1。
再使用第7步中測(cè)得的振蕩時(shí)間,按以下方法計(jì)算速率的 值,以分為單位。
將此值輸入給RATE 1。
如果出現(xiàn)過(guò)沖,可通過(guò)減少?gòu)?fù)位時(shí)間來(lái)消除。當(dāng)對(duì)復(fù)位值 進(jìn)行了更改時(shí),也應(yīng)對(duì)速率調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)的更改,使速率值 等于:
即:如果復(fù)位 = 2 R/M,則速率= 0.08分鐘
若想在對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的“響應(yīng)時(shí)間”和“設(shè)置時(shí)間”之間得到 正確的平衡,可能需要進(jìn)行多次設(shè)定值更改和隨之發(fā)生的復(fù) 位和速率控制時(shí)間調(diào)整??焖夙憫?yīng)常常伴隨著較大的過(guò)沖, 過(guò)程“穩(wěn)定下來(lái)”所需的時(shí)間也較短。相反,如果響應(yīng)較 慢,過(guò)程趨向于慢慢滑行到最終值,過(guò)沖很小或者沒(méi)有過(guò) 沖。應(yīng)由系統(tǒng)的要求決定采取哪種動(dòng)作。
當(dāng)?shù)玫綕M意的整定時(shí),應(yīng)增大循環(huán)時(shí)間以節(jié)省接觸器的壽命 (適用于只有時(shí)間比例輸出的裝置(TPRI))。在不造成測(cè)量 值因負(fù)載循環(huán)而振蕩的情況下,應(yīng)盡量增大循環(huán)時(shí)間。
轉(zhuǎn)至第C節(jié)。
B. 未觀察到振蕩時(shí)的整定步驟
在最小PB設(shè)置下,測(cè)量設(shè)定值與實(shí)際溫度之間的穩(wěn)態(tài)偏 差,或固定偏差。
增大PB設(shè)置,直到溫度偏差(固定偏差)增大65%。線列 圖I(見(jiàn)圖4)提供了計(jì)算所需最終溫度偏差的簡(jiǎn)便方法。
將RESET 1設(shè)置為一個(gè)較高的值(10 R/M)。將RATE 1設(shè) 置為一個(gè)對(duì)應(yīng)的值(0.02分)。此時(shí),因復(fù)位作用,測(cè) 量值應(yīng)穩(wěn)定在設(shè)定溫度。
由于我們無(wú)法確定臨界振蕩時(shí)間,必須用試誤法確定復(fù) 位和速率調(diào)整的最佳設(shè)置。在溫度穩(wěn)定在設(shè)定值后,將 設(shè)定溫度的設(shè)置增加10度。觀察實(shí)際溫度上升過(guò)程中伴 隨的過(guò)沖。然后將設(shè)定溫度的設(shè)置返回其初始值,再觀 察實(shí)際溫度上升過(guò)程中伴隨的過(guò)沖。 過(guò)沖過(guò)大表明復(fù)位和/或速率值設(shè)置得太高。過(guò)阻尼響應(yīng) (無(wú)過(guò)沖)表明復(fù)位和/或速率值設(shè)置得太低。請(qǐng)參看圖 7。需要改善性能時(shí),一次改變一個(gè)整定參數(shù),并觀察設(shè) 定值改變時(shí)該參數(shù)對(duì)性能的影響。讓參數(shù)遞增變化,直 到性能得到優(yōu)化。
當(dāng)?shù)玫綕M意的整定時(shí),應(yīng)增大循環(huán)時(shí)間以節(jié)省接觸器的壽 命(適用于只有時(shí)間比例輸出的裝置(TPRI))。在不造成 測(cè)量值因負(fù)載循環(huán)而振蕩的情況下,盡量增大循環(huán)時(shí)間。
圖7:設(shè)置復(fù)位和/或速率
C. 整定冷卻控制的主輸出
使用與加熱相同的步驟。過(guò)程應(yīng)在一個(gè)設(shè)定值處運(yùn)行,要求 在溫度穩(wěn)定前進(jìn)行冷卻控制。
D. PID控制器的簡(jiǎn)化整定步驟
下面的步驟是分析過(guò)程對(duì)步進(jìn)輸入的響應(yīng)曲線的圖形方法。 使用長(zhǎng)圖記錄儀讀取過(guò)程變量(PV)會(huì)更加簡(jiǎn)單。
從冷啟動(dòng)(PV在室溫下)開(kāi)始,在控制器不在環(huán)路中的 情況下(即開(kāi)環(huán)時(shí))以最大功率給過(guò)程供電。記錄此開(kāi) 始時(shí)間。
經(jīng)過(guò)一些延遲后(讓熱量到達(dá)傳感器),PV將開(kāi)始上 升。再經(jīng)過(guò)一段延遲后,PV將達(dá)到最大變化速率 (斜率)。記錄出現(xiàn)該最大斜率時(shí)的時(shí)間以及此時(shí)的 PV。記錄最大斜率,以度/分為單位。關(guān)閉系統(tǒng)電源。
從最大斜率點(diǎn)開(kāi)始向后到環(huán)境溫度軸畫(huà)一條線,得到總 系統(tǒng)延時(shí)Td(見(jiàn)圖8)。也可以用下面的公式得到延時(shí): Td = 達(dá)到最大斜率時(shí)的時(shí)間-(最大斜率處的PV – 環(huán)境溫度)/ 最大斜率s
應(yīng)用下面的公式獲得PID參數(shù):
比例范圍 = Td x 最大斜率x 100/量程 = 量程的%
復(fù)位 = 0.4 / Td =次/分
速率 = 0.4 x Td = 分
重啟系統(tǒng),在控制器處在環(huán)路中的情況下將過(guò)程帶到設(shè) 定值,并觀察響應(yīng)。如果響應(yīng)過(guò)沖太大或者振蕩,可以 在以下方向改變PID參數(shù)(稍稍改變,一次改變一個(gè)參 數(shù),并觀察過(guò)程響應(yīng)):加寬比例帶,降低復(fù)位值,并增大速率值。
示例: 圖8中的圖表記錄是在以最大功率給加熱爐供電時(shí)獲 得的。圖表比例尺為10?F/cm和5分/cm??刂破鞣秶鸀?100 ~ 600?F,或者說(shuō)500?F的量程。
示例: 圖8中的圖表記錄是在以最大功率給加熱爐供電時(shí)獲 得的。圖表比例尺為10°F/cm和5分/cm??刂破鞣秶鸀?100 ~ 600°F,或者說(shuō)500°F的量程。
最大斜率 = 18°F/5分
= 3.6°F/分
延時(shí) = Td = 大約7分
比例帶 = 7分x3.6°F/分 x 100/500°F = 5%。
復(fù)位 = 0.4 /7分 = 0.06次/分
速率 = 0.4 x 7分 = 2.8分
圖8:系統(tǒng)延時(shí)
pid算法溫度控制c語(yǔ)言程序
基于PID算法的溫度控制系統(tǒng) 89C51單片機(jī),通過(guò)鍵盤輸入預(yù)設(shè)值,與DS18B20測(cè)得的實(shí)際值做比較,然后驅(qū)動(dòng)制冷或加熱電路。用keil C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)PID的控制。
?
#include《reg51.h》
#include《intrins.h》
#include《math.h》
#include《string.h》
struct PID {
unsigned int SetPoint; // 設(shè)定目標(biāo) Desired Value
unsigned int Proportion; // 比例常數(shù) Proportional Const
unsigned int Integral; // 積分常數(shù) Integral Const
unsigned int Derivative; // 微分常數(shù) Derivative Const
unsigned int LastError; // Error[-1]
unsigned int PrevError; // Error[-2]
unsigned int SumError; // Sums of Errors
};
struct PID spid; // PID Control Structure
unsigned int rout; // PID Response (Output)
unsigned int rin; // PID Feedback (Input)
sbit data1=P1^0;
sbit clk=P1^1;
sbit plus=P2^0;
sbit subs=P2^1;
sbit stop=P2^2;
sbit output=P3^4;
sbit DQ=P3^3;
unsigned char flag,flag_1=0;
unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比調(diào)節(jié)參數(shù)
unsigned char set_temper=35;
unsigned char temper;
unsigned char i;
unsigned char j=0;
unsigned int s;
/***********************************************************
延時(shí)子程序,延時(shí)時(shí)間以12M晶振為準(zhǔn),延時(shí)時(shí)間為30us×time
***********************************************************/
void delay(unsigned char time)
{
unsigned char m,n;
for(n=0;n《time;n++)
for(m=0;m《2;m++){}
}
/***********************************************************
寫(xiě)一位數(shù)據(jù)子程序
***********************************************************/
void write_bit(unsigned char bitval)
{
EA=0;
DQ=0; /*拉低DQ以開(kāi)始一個(gè)寫(xiě)時(shí)序*/
if(bitval==1)
{
_nop_();
DQ=1; /*如要寫(xiě)1,則將總線置高*/
}
delay(5); /*延時(shí)90us供DA18B20采樣*/
DQ=1; /*釋放DQ總線*/
_nop_();
_nop_();
EA=1;
}
/***********************************************************
寫(xiě)一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序
***********************************************************/
void write_byte(unsigned char val)
{
unsigned char i;
unsigned char temp;
EA=0; /*關(guān)中斷*/
TR0=0;
for(i=0;i《8;i++) /*寫(xiě)一字節(jié)數(shù)據(jù),一次寫(xiě)一位*/
{
temp=val》》i; /*移位操作,將本次要寫(xiě)的位移到最低位*/
temp=temp&1;
write_bit(temp); /*向總線寫(xiě)該位*/
}
delay(7); /*延時(shí)120us后*/
// TR0=1;
EA=1; /*開(kāi)中斷*/
}
/***********************************************************
讀一位數(shù)據(jù)子程序
***********************************************************/
unsigned char read_bit()
{
unsigned char i,value_bit;
EA=0;
DQ=0; /*拉低DQ,開(kāi)始讀時(shí)序*/
_nop_();
_nop_();
DQ=1; /*釋放總線*/
for(i=0;i《2;i++){}
value_bit=DQ;
EA=1;
return(value_bit);
}
/***********************************************************
讀一字節(jié)數(shù)據(jù)子程序
***********************************************************/
unsigned char read_byte()
{
unsigned char i,value=0;
EA=0;
for(i=0;i《8;i++)
{
if(read_bit()) /*讀一字節(jié)數(shù)據(jù),一個(gè)時(shí)序中讀一次,并作移位處理*/
value|=0x01《《i;
delay(4); /*延時(shí)80us以完成此次都時(shí)序,之后再讀下一數(shù)據(jù)*/
}
EA=1;
return(value);
}
/***********************************************************
復(fù)位子程序
***********************************************************/
unsigned char reset()
{
unsigned char presence;
EA=0;
DQ=0; /*拉低DQ總線開(kāi)始復(fù)位*/
delay(30); /*保持低電平480us*/
DQ=1; /*釋放總線*/
delay(3);
presence=DQ; /*獲取應(yīng)答信號(hào)*/
delay(28); /*延時(shí)以完成整個(gè)時(shí)序*/
EA=1;
return(presence); /*返回應(yīng)答信號(hào),有芯片應(yīng)答返回0,無(wú)芯片則返回1*/
}
/***********************************************************
獲取溫度子程序
***********************************************************/
void get_temper()
{
unsigned char i,j;
do
{
i=reset(); /*復(fù)位*/
}while(i!=0); /*1為無(wú)反饋信號(hào)*/
i=0xcc; /*發(fā)送設(shè)備定位命令*/
write_byte(i);
i=0x44; /*發(fā)送開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令*/
write_byte(i);
delay(180); /*延時(shí)*/
do
{
i=reset(); /*復(fù)位*/
}while(i!=0);
i=0xcc; /*設(shè)備定位*/
write_byte(i);
i=0xbe; /*讀出緩沖區(qū)內(nèi)容*/
write_byte(i);
j=read_byte();
i=read_byte();
i=(i《《4)&0x7f;
s=(unsigned int)(j&0x0f);
s=(s*100)/16;
j=j》》4;
temper=i|j; /*獲取的溫度放在temper中*/
}
/*====================================================================================================
Initialize PID Structure
=====================================================================================================*/
void PIDInit (struct PID *pp)
{
memset ( pp,0,sizeof(struct PID));
}
/*====================================================================================================
PID計(jì)算部分
=====================================================================================================*/
unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint )
{
unsigned int dError,Error;
Error = pp-》SetPoint - NextPoint; // 偏差
pp-》SumError += Error; // 積分
dError = pp-》LastError - pp-》PrevError; // 當(dāng)前微分
pp-》PrevError = pp-》LastError;
pp-》LastError = Error;
return (pp-》Proportion * Error//比例
+ pp-》Integral * pp-》SumError //積分項(xiàng)
+ pp-》Derivative * dError); // 微分項(xiàng)
}
/***********************************************************
溫度比較處理子程序
***********************************************************/
compare_temper()
{
unsigned char i;
if(set_temper》temper)
{
if(set_temper-temper》1)
{
high_time=100;
low_time=0;
}
else
{
for(i=0;i《10;i++)
{ get_temper();
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
}
if (high_time《=100)
high_time=(unsigned char)(rout/800);
else
high_time=100;
low_time= (100-high_time);
}
}
else if(set_temper《=temper)
{
if(temper-set_temper》0)
{
high_time=0;
low_time=100;
}
else
{
for(i=0;i《10;i++)
{ get_temper();
rin = s; // Read Input
rout = PIDCalc ( &spid,rin ); // Perform PID Interation
}
if (high_time《100)
high_time=(unsigned char)(rout/10000);
else
high_time=0;
low_time= (100-high_time);
}
}
// else
// {}
}
/*****************************************************
T0中斷服務(wù)子程序,用于控制電平的翻轉(zhuǎn) ,40us*100=4ms周期
******************************************************/
void serve_T0() interrupt 1 using 1
{
if(++count《=(high_time))
output=1;
else if(count《=100)
{
output=0;
}
else
count=0;
TH0=0x2f;
TL0=0xe0;
}
/*****************************************************
串行口中斷服務(wù)程序,用于上位機(jī)通訊
******************************************************/
void serve_sio() interrupt 4 using 2
{
/* EA=0;
RI=0;
i=SBUF;
if(i==2)
{
while(RI==0){}
RI=0;
set_temper=SBUF;
SBUF=0x02;
while(TI==0){}
TI=0;
}
else if(i==3)
{
TI=0;
SBUF=temper;
while(TI==0){}
TI=0;
}
EA=1; */
}
void disp_1(unsigned char disp_num1[6])
{
unsigned char n,a,m;
for(n=0;n《6;n++)
{
// k=disp_num1[n];
for(a=0;a《8;a++)
{
clk=0;
m=(disp_num1[n]&1);
disp_num1[n]=disp_num1[n]》》1;
if(m==1)
data1=1;
else
data1=0;
_nop_();
clk=1;
_nop_();
}
}
}
/*****************************************************
顯示子程序
功能:將占空比溫度轉(zhuǎn)化為單個(gè)字符,顯示占空比和測(cè)得到的溫度
******************************************************/
void display()
{
unsigned char code number[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6};
unsigned char disp_num[6];
unsigned int k,k1;
k=high_time;
k=k%1000;
k1=k/100;
if(k1==0)
disp_num[0]=0;
else
disp_num[0]=0x60;
k=k%100;
disp_num[1]=number[k/10];
disp_num[2]=number[k%10];
k=temper;
k=k%100;
disp_num[3]=number[k/10];
disp_num[4]=number[k%10]+1;
disp_num[5]=number[s/10];
disp_1(disp_num);
}
/***********************************************************
主程序
***********************************************************/
main()
{
unsigned char z;
unsigned char a,b,flag_2=1,count1=0;
unsigned char phil[]={2,0xce,0x6e,0x60,0x1c,2};
TMOD=0x21;
TH0=0x2f;
TL0=0x40;
SCON=0x50;
PCON=0x00;
TH1=0xfd;
TL1=0xfd;
PS=1;
EA=1;
EX1=0;
ET0=1;
ES=1;
TR0=1;
TR1=1;
high_time=50;
low_time=50;
PIDInit ( &spid ); // Initialize Structure
spid.Proportion = 10; // Set PID Coefficients
spid.Integral = 8;
spid.Derivative =6;
spid.SetPoint = 100; // Set PID Setpoint
while(1)
{
if(plus==0)
{
EA=0;
for(a=0;a《5;a++)
for(b=0;b《102;b++){}
if(plus==0)
{
set_temper++;
flag=0;
}
}
else if(subs==0)
{
for(a=0;a《5;a++)
for(b=0;a《102;b++){}
if(subs==0)
{
set_temper--;
flag=0;
}
}
else if(stop==0)
{
for(a=0;a《5;a++)
for(b=0;b《102;b++){}
if(stop==0)
{
flag=0;
break;
}
EA=1;
}
get_temper();
b=temper;
if(flag_2==1)
a=b;
if((abs(a-b))》5)
temper=a;
else
temper=b;
a=temper;
flag_2=0;
if(++count1》30)
{
display();
count1=0;
}
compare_temper();
}
TR0=0;
z=1;
while(1)
{
EA=0;
if(stop==0)
{
for(a=0;a《5;a++)
for(b=0;b《102;b++){}
if(stop==0)
disp_1(phil);
// break;
}
EA=1;
}
}
//DS18b20 子程序
#include 《REG52.H》
sbit DQ=P2^1; //定義端口
typedef unsigned char byte;
typedef unsigned int word;
//延時(shí)
void delay(word useconds)
{
for(;useconds》0;useconds--);
}
//復(fù)位
byte ow_reset(void)
{
byte presence;
DQ=0; //DQ低電平
delay(29); //480us
DQ=1; //DQ高電平
delay(3); //等待
presence=DQ; //presence信號(hào)
delay(25);
return(presence);
} //0允許,1禁止
//從1-wire 總線上讀取一個(gè)字節(jié)
byte read_byte(viod)
{
byte i;
byte value=0;
for (i=8;i》0;i--)
{
value》》=1;
DQ=0;
DQ=1;
delay(1);
if(DQ)value|=0x80;
delay(6);
}
return(value);
}
//向1-wire總線上寫(xiě)一個(gè)字節(jié)
void write_byte(char val)
{
byte i;
for (i=8;i》0;i--) //一次寫(xiě)一個(gè)字節(jié)
{
DQ=0;
DQ=val&0x01;
delay(5);
DQ=1;
val=val/2;
}
delay(5);
}
//讀取溫度
char Read_Temperature(void)
{
union{
byte c[2];
int x;
}temp;
ow_reset();
write_byte(0xcc);
write_byte(0xBE);
temp.c[1]=read_byte();
temp.c[0]=read_byte();
ow_reset();
write_byte(0xCC);
write_byte(0x44);
return temp.x/2;
}
評(píng)論