完整word版溫度控制的PID算法及C程序?qū)崿F(xiàn)

1、溫度控制與PID算法溫度控制與PID算法j較為復雜，下面結合實際淺顯易懂的闡述一下PID控制理論，將溫度控制及PID算法作一個簡單的描述。1.溫度控制的框圖PV）保持在恒定的溫度PV）獲取偏差值（EV）,9溫度偏差值a固態(tài)繼電器與發(fā)無管 輸出功率亠溫區(qū)溫度這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加熱溫區(qū)的溫度（設定值（SV）。系統(tǒng)通過溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號（偏差值經(jīng)過 PID調(diào)節(jié)器運算輸出，控制發(fā)熱管的發(fā)熱功率，以克服偏差，促使偏差趨近 于零。例如，當某一時刻爐內(nèi)過PCB板較多，帶走的熱量較多時，即導致溫區(qū)溫度下降,這時，通過反饋的調(diào)節(jié)作用，將使溫度迅速回升。其調(diào)節(jié)過程如下：溫度控制的

2、功率輸出采用脈寬調(diào)制的方法。固態(tài)繼電器SSR的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓UouT 。當SSR的觸發(fā)角觸發(fā)時，電源電壓Uan通過SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩 端；當SSR的觸發(fā)角沒有觸發(fā)信號時， SSR關斷。因此，發(fā)熱管兩端的平均電壓為Ud = （t/T）* U an=K* U an其中K= t/T，為一個周期T中，SSR觸發(fā)導通的比率，稱為負載電壓系數(shù)或是占空比，K的變化率在0- 1之間。一般是周期 T固定不便，調(diào)節(jié)t,當t在0-T的范圍內(nèi)變化時， 發(fā)熱管的電壓即在 0- Uan之間變化，這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。下面將要描述的 PID調(diào)節(jié)器的算式在這里的實質(zhì)即是運算求出一個實時變化的，能夠保證

3、加熱溫區(qū)在外界干擾的情況下仍能保持溫度在一個較小的范圍內(nèi)變化的合理的負載電壓系數(shù)K。發(fā)熱管LHKW簡單的固態(tài)繼電器加熱電路脈寬調(diào)制電壓輸出示意圖2.溫度控制的兩個階段溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng)，也就是說，當給溫區(qū)開始加熱之后， 并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣的，當關閉加熱之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測， 與實際的溫區(qū)溫度相比較， 也存在一定的滯后效應。 這給溫度的控制帶來了困難。因此，如果在溫度檢測值（PV）到達設定值時才關斷輸出，可能因溫度的滯后效應而長時間超出設定值，需要較長時間才能回到設定值；如果在溫度檢測值（PV）未到設定值時即關斷輸出

4、，則可能因關斷較早而導致溫度難以達到設定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應速度（即加熱速度）與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾，我們把溫度控制 分為兩個階段。Temp 色）（1） PID調(diào)節(jié)前階段在這個階段，因為溫區(qū)的溫度距離設定值還很遠，為了加快加熱速度，SSR與發(fā)熱管處于滿負荷輸出狀態(tài)，只有當溫度上升速度超過控制參數(shù)“加速速率”，SSR才關閉輸出?！凹铀偎俾省泵枋龅氖菧囟仍趩挝粫r間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如上圖所示。用“加速速率”限制溫升過快，是為了降低溫度進入PID調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達溫度設定值(SV)時超調(diào)過大。在這個階段，要么占空比K=0, SSR關閉；要么占空比K=100 %, SSR全

5、速輸出。 PID調(diào)節(jié)器不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。(2) PID調(diào)節(jié)階段在這個階段，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計算占空比(0 100%),保證偏差(EV)趨近于零，即使系統(tǒng)受到外部干擾時，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。3. PID算法PID控制的原理是基于下面的算式：輸出M(t)是比例項，積分項和微分項的函數(shù)。其中：M(t)KceMi nitialM(t)=Kc e(t) + KJe(t)dt + K匚來 e(t)/dt + 11血訟 輸岀=比例項+積分項+微分項+靜態(tài)輸岀項(常數(shù)項)PID回路的輸出，是時間的函數(shù)PID回路的比例增益PID回路的偏差(設定值(SV)與過程變量(PV

6、)之差)PID回路的靜態(tài)輸出值為了能讓數(shù)字計算機處理這個算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算 式，才能用來計算輸出值。數(shù)字計算機處理的算式如下：虬水韋+ K嚴e學+ IV(尋) +initial輸出=比例項+積分項+微分項+靜態(tài)輸出項(常數(shù)項)從這個公式可以看出，積分項是從第一個采樣周期到當前采樣周期所有誤差 項的函數(shù)，微分項是當前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當前采樣的函數(shù)。 在數(shù)字計算機中，不保存所有的誤差項，其實也不必要。由于計算機從第一次采樣 開始，每有一個過程采樣值必須計算一次輸出值，只需要保存前一次過程值(PVn-1)和積分項前值。利用計算機處理的重復性，可以將以上算式變換

7、為：initial輸岀=比例項+積分項+微分項+靜態(tài)輸出項（常數(shù)項其中：MnSVPVnPVn-1MXMin tialKcKIKD在第n采樣時刻，PID回路的輸出計算值PID回路設定值在第n采樣時刻的過程變量值在第n-1采樣時刻的過程變量值積分前項值PID回路的靜態(tài)輸出值PID回路的比例增益積分項的比例常數(shù)KI=Kc * Ts / TiTs是離散化時的采樣時間間隔Ti是積分時間參數(shù)；微分項的比例常數(shù)KD=Kc * Td / TsTs是離散化時的采樣時間間隔Td是微分時間參數(shù);從上面PID的算式，可以分析三個基本參數(shù)Kc, KI, KD在實際控制中的作用:(1)比例調(diào)節(jié)作用：比例項按比例反應系統(tǒng)的

8、偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少偏差。但是過大的比例調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：積分項消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。只要有偏差，積分 就進行，直到無偏差時，積分運算才停止，積分調(diào)節(jié)項輸出一常數(shù)值。積分作 用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti, Ti越小，積分作用越強。積分控制可提高系統(tǒng)的無差度，但積分項輸出響應緩慢，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間增長。微分調(diào)節(jié)作用：微分項反映系統(tǒng)過程變量的變化率（(PVn-1- PVn)/ Ts),具M二瓦敘 SV - PVJ + (%* (SV - PVn) + MX)(Pg -

9、PV ) + M有預見性，能預見變化的趨勢，因此，能產(chǎn)生超前的調(diào)節(jié)作用，在偏差還沒有 形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分 時間參數(shù)Td選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分調(diào)節(jié)對 干擾有放大效果，過強的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分項反映的 是過程變量的變化率， 而當過程變量沒有變化時，微分調(diào)節(jié)輸出為零。 微分調(diào)節(jié)不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結合，組成PD或PID調(diào)節(jié)器。以上面的推導,C程序如下 /*pid算法C源程序，還有實現(xiàn) pid自動調(diào)整。51用于控制溫度26-100攝氏度。TIME:2011-07-29 20:15:07

10、*/#in elude #in clude global_varible.h /*模塊名：PID* 描述 : PID 調(diào)節(jié)子程序* 采用PID-PD算法。在偏差絕對值大于e時，用PD算法，以改善動態(tài)品質(zhì)。* 當偏差絕對值小于 e時，用PID算法，提高穩(wěn)定精度。* PIDout=kp*e(t)+ki*e(t)+e(t-1)+.+e(1)+kd*e(t)-e(t-1)* 入口* 出口* 改變*/無無PID_T_Run= 加熱時間控制void PID_Math(void)signed long ee1; /signed long ee2;signed long d_out; / 積分輸出/偏差一階/

11、偏差二階if(!Flag_PID_T_OK)return;Flag_PID_T_OK = 0;Temp_Set = 3700; /溫度控制設定值 37.00 度PID_e0 = Temp_Set - Temp_Now; /本次偏差 ee1 = PID_e0 - PID_e1;/ee2 = PID_e0-2*PID_e1+PID_e2;/計算一階偏差/計算二階偏差/一階偏差的限制范圍 if(ee1 500) ee1 = 500; if(ee1 200) if(PID_e_SUM -200)PID_Out = PID_kp * PID_e0 + PID_kd * ee1; if(abs(PID_e

12、0) 100) if(PID_e_SUM 100) if(PID_e_SUM -100) PID_e_SUM = -100;PID_e_/如果溫度相差大于 1 度時積分累計限制 SUM = 100;計限制d_out = PID_ki * PID_e_SUM; if(PID_e0 150) PID_e_SUM = 150;if(PID_e_SUM 0)d_out = 1; /當前溫度高于設定溫度 0.5 度時削弱積分正輸出/PID 比例 ,積分和微分輸出PID_Out += d_out; elsePID_e_SUM=0;熱八、/PID_Out /= 100; if(PID_Out 200) if(PID_Out 300) if(PI