PID温度控制

　　基于单片机的PID温度控制[关键词]MCU、DS18B20、PID、PWM、IGBT：温度是工业控制对象的主要被控参数之一，如冶金，机械等。本文主要介绍了基于PID控制理论的单片机温度的控制。件使用单片机，系统使用温度传感器反馈被控温度，通过单片机内PID程序计算出一个控制量，把该值作为一个PWM占空比控制信号的输入来控制IGBT的开关频率，从而控制加热器的电流达到温度的控PID（比例积分微分）英文全称为IntegrationDifferentiation。在工程实际中，它是应用最为广泛的调节器，控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID问世至今已有70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为当代工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的技术难以采用时，系统的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID制技术。PID控制，在实际中也有PI和PD控制。PID就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。控制系统的原理图如图1所示：比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。积分（I）控制在积分控制中，的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)能改善系统在调节过程中的动态特性。系统主要组成部分：温度信号采集部分、MCU处理部分、控制信号输出部分、加热器电流控制部分，也就是实际的温度直接控制部分。根据控制系统理论要控制温度就要引入温度信号反馈。得到温度反馈信号，可以使用两种传感器，一种是数字量的传感器，一种是模拟量传感器。这里使用单片机来做为控制核心，如果使用模拟量传感器还要用一个模数转换电路把信号转换成单片机能处理的数字量，如果使用数字量的传感器，MCU可以直接读取。不过有些高级的单片机内部有A/D模数转换，这时用模拟量的传感器也很方便。温度采集单元部分主要的作用就是把被控温度以一定频率存贮在MCURAM中（本文以DS18B20为例）。接下来就是PID计算程序了。目前有三种PID控制算法比较简单,分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。在计算机控制中广泛应用的是增量式PID控制算法。这里所谓的增量算法就是相对于标准的算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说，在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味减少）控制量。例如对于温度控制就是要增加（或减少）加热比例，根据具体的应用，适当的选择采用哪一种算法，但基本上控制方法原理是一样的亚美体育APP下载地址，直接计算法得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量。e(t-1)+Kd(e(t-1)-e(t-2))。两式相减得到增量法计算分式：Pdlt=Kpe(t)-e(t-1)+Kie(t)+Kd(e((t)-2e(t-1)+e(t-2)).三个基本参数Kp、Ki、Kd就是上文说到的PID。输出执行部分采用PWM方式来控制加热器的电流，从而达到控制温度的作用。脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。在这用PWM的功率控制来实现加热温度的控制。通过PID计算出的值产生相应占空比的信号，输入到大功率IGBT器件的控制极控制加热功率，从而达到控制电流的目的。确定PID的参数。PID的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控制过程的特性确定PID的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程的实际值进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，一般如下：对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5最后验证所述理论。为了验证PID的工作情况，设计一种模拟的实验条件，电路如图2所示。通过改变R2的阻值,便可相应地改变稳压器LM317消耗的功率,也就是说它自身的温度会相应地改变。在环境温度为24 时，当不进行控制时其温度可以达到约70；当采用本对其进 行温度控制时, 测得的结果如图3(a)、(b)所示(图中横坐标为采样时 间序列,每点对应约0.4秒)，可见精度达到了0.05, 控制效果是 很好的。 PID 的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制 规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度， 最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。 要使用好单片机的 PID 温度控制，关键在于根据实际情况确定 PID 的各种参数，这项工作是消费时间的, 但调整好了，将会提高PID 的使用效果，从而达到较高的控制精度。 参考文献：1、江孝国.《半导体致冷温度》电子出版社，1997 2、陈汝全、林永生、夏利.《实用微机与单片机控制技术》 电子科技大学出版 社，1998 3、李广弟.《单片机基础》 北京航空航天大学出版社，2001 4、郝迎吉.《多路物理量单片机自动监测系统设计》 西安矿业学院学报，1998