PID-溫度控制的實現(xiàn)

1、PID 溫度控制的實現(xiàn)PID 簡介 PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。 PID 工作基理：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值(以下簡稱被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID 控制器的輸入端，并與其給

2、定值(以下簡稱SP 值)進行比較得到偏差值(以下簡稱e 值)，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達到控制目的 ，如圖 1 所示，其實PID 的實質(zhì)就是對偏差（e 值）進行比例、積分、微分運算，根據(jù)運算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程。圖1 模擬PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器的控制規(guī)律可以描述為：(1) 比例（P）控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（I）控制的作用是：只要系統(tǒng)有誤差存在，

3、積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分（D）控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。數(shù)字PID 的實現(xiàn) 在連續(xù)-時間控制系統(tǒng)（模擬PID 控制系統(tǒng)）中，PID 控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計算機的快速發(fā)展

4、，人們將計算機引入到PID 控制領(lǐng)域，也就出現(xiàn)了數(shù)字式PID 控制。 由于計算機基于采樣控制理論，計算方法也不能沿襲傳統(tǒng)的模擬PID 控制算法（如公式1 所示），所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T 為采樣周期，k 為采樣序號，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續(xù)的PID 計算公式離散：(2)式1 就可以離散為：(3)或者：(4) 這樣就可以讓計算機或者單片機通過采樣的方式實現(xiàn)PID 控制，具體的PID 控制又分為位置式PID 控制和增量式PID 控制，公式4 給出了控制量的全部大小，所以稱之為全量式或者位置式控制；如果計算機只對相鄰的兩次作計算，只考慮在

5、前一次基礎(chǔ)上，計算機輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計算，這種控制叫做增量式PID 控制算法，其實質(zhì)就是求的大小，而 k=k-k-1；所以將式4 做自減變換有：(5)其中溫度控制PID 算法設(shè)計 本設(shè)計利用了上面所介紹的位置式PID 算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設(shè)定值進行相減得偏差ek，然后再對之進行PID 運算產(chǎn)生輸出結(jié)果fOut，然后讓fOut 控制定時器的時間進而控制加熱器。為了方便PID 運算，首先建立一個PID 的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型用于保存PID 運算所需要的P、I、D 系數(shù)，以及設(shè)定值，歷史誤差的累加和等信息：typedef struct PIDfl

6、oat SetPoint; / 設(shè)定目標 Desired Valuefloat Proportion; / 比例系數(shù) Proportional Constfloat Integral; / 積分系數(shù) Integral Constfloat Derivative; / 微分系數(shù) Derivative Constint LastError; / 上次偏差int SumError; / 歷史誤差累計值 PID;PID stPID; / 定義一個stPID 變量 下面是PID 運算的算法程序，通過PID 運算返回fOut，fOut 的值決定是否加熱，加熱時間是多少。PID 運算的C 實現(xiàn)代碼：floa

7、t PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )int dError,Error;Error = pp-SetPoint*10 - NextPoint; / 偏差，設(shè)定值減去當前采樣值pp-SumError += Error; / 積分，歷史偏差累加dError = Error-pp-LastError; / 當前微分，偏差相減pp-PrevError = pp-LastError; / 保存pp-LastError = Error;+ pp-Integral * pp-SumError / 積分項- pp-Derivative * dError / 微分項); 在實際運

8、算時，由于水具有很大的熱慣性，而且PID 運算中的I（積分項）具有非常明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，我們必須把積分項去掉，相反D（微分項）則有很強的預(yù)見性，能夠加快反應(yīng)速度，抑制超調(diào)量，所以積分作用應(yīng)該適當加強才能達到較佳的控制效果，系統(tǒng)最終選擇PD 控制方案，下面C 代碼所示為PD 控制的實現(xiàn)過程：float PIDCalc( PID *pp, int NextPoint )int dError,Error;Error = pp-SetPoint*10 - NextPoint; / 偏差，設(shè)定值減去當前采樣值dError = Error-pp-LastError; / 當前微分，偏差相減pp-

9、PrevError = pp-LastError; / 保存pp-LastError = Error;return (pp-Proportion * Error / 比例項- pp-Derivative * dError / 微分項);溫度控制實現(xiàn) 通過溫度的PID 運算，產(chǎn)生結(jié)果fOut，該參數(shù)決定是否加熱，加熱時間是多長。該程序如下：stPID.Proportion = 2; /設(shè)置PID 比例值stPID.Integral = 0; /設(shè)置PID 積分值stPID.Derivative = 5; /設(shè)置PID 微分值fOut = PIDCalc ( &stPID,(int)(fT*10) ); /PID 計算if(fOut=0)*P_IOA_Buffer &= 0xff7f; /溫度高于設(shè)定值，關(guān)閉加熱器else*P_IOA_Buffer |= 0x0080; /溫度低于設(shè)定值，打開加熱器 加熱時間由主函數(shù)計算，由TimerB 中斷控制。主程序中通過PIDCalc 函數(shù)得到fOut 參數(shù)，