完整版基于PID法溫度控制

1、2021r-200“學年第 丸學期物理與電子工程 學院期中測試卷?自動限制原理?課程論文等試卷樣式成績:評語:訂：?基于PID法的溫度限制?基于PID法的溫度限制摘要：一種新型的PID溫度限制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用單片機芯片,可方便對系統(tǒng)加熱周期T及PID中的個參數(shù)進行線性修改；具有對上下進行報警功能.主要研究 PID算法.關(guān)鍵字：單片機；溫度限制；PID限制器引言：在化工、石油、冶金等生產(chǎn)過程的物理過程和化學反響中,溫 度往往是一個很重要的量,為了到達所需的精度范圍,采用PID限制, 對PID的各種參數(shù)進行整定以滿足不同的場合.一、溫度限制器的主要問題及解決方法1、傳統(tǒng)的溫度限制器的問題傳統(tǒng)的溫度

2、限制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主,兩者里面都用發(fā)熱絲制成.發(fā)熱絲通過電流加熱時,通常到達1000c以上, 所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高.一般進行溫度限制的電器機械, 其限制溫度多在0-400 C之間,所以,傳統(tǒng)的溫度限制器進行溫度控 制期間,當被加熱器件溫度升高至設(shè)定溫度時,溫度限制器會發(fā)出信號停止加熱.但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度會高于 400C,發(fā)熱 棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進行加熱,即使溫度限制器發(fā)出信 號停止加熱,被加熱器件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度, 然后才開始下 降.當下降到設(shè)定溫度的下限時,溫度限制器又開始發(fā)出加熱的信號,開始加熱,但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器

3、件需要一定的時候,這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間的介質(zhì)情況而定.通常開始重新加 熱時,溫度繼續(xù)下降幾度.所以,傳統(tǒng)的定點開關(guān)限制溫度會有正負 誤差幾度的現(xiàn)象,但這不是溫度限制器本身的問題, 而是整個熱系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)性問題,使溫度限制器控溫產(chǎn)生一種慣性溫度誤差.2、PID限制解決要解決溫度限制器這個問題,采用PID限制技術(shù),是明智的選擇. PID限制,是針對以上的情況而制定的、新的溫度限制方案,用先進 的數(shù)碼技術(shù)通過Pvar、Ivar、Dvar三方面的結(jié)合調(diào)整,形成一個模糊 限制,來解決慣性溫度誤差問題.然而,在很多情況下,由于傳統(tǒng)的溫度限制器溫控方式存在較大的慣性溫度誤差, 往往在要求精確的

4、溫控時,很多人會放棄自動限制而采用調(diào)壓器來代替溫度限制器.但是用調(diào)壓器來代替溫度限制器時, 必須在很大程度上靠人力調(diào)節(jié),隨 著工作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù), 然后靠相對穩(wěn)定的 電壓來通電加熱,勉強運作,但這決不是自動控溫.當需要控溫的關(guān) 鍵很多時,就會手忙腳亂.這樣,調(diào)壓器就派不上用場,由于靠人手 不能同時調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關(guān)鍵,只有采用 PID模糊限制技術(shù), 才能解決這個問題,使操作得心應(yīng)手,運行暢順.二、該溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理：1、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)功能主要實現(xiàn)斷水保護和高水位指示、自動保溫、自動報警 及高溫保護功能.用雙排數(shù)碼管分別顯示設(shè)計與測量溫度,保溫時間, 加熱周期及P

5、ID的各參數(shù),當測量溫度達保溫溫度時,數(shù)碼管顯示設(shè) 定溫度.當達設(shè)定溫度時,數(shù)碼管應(yīng)該切換到設(shè)定的保溫時間,并倒 計時.限制結(jié)構(gòu)圖：I CPU/報警殺菌器皿 L/F轉(zhuǎn)化電路W . . I溫度傳感器修線性化電路2、系統(tǒng)原理：1)、溫度采樣及轉(zhuǎn)化溫度傳感器Pt 100鉗熱電阻在0850°C間,其電阻Rt和溫度T 的關(guān)系為：Rt = R0(1AT BT 2)R°： 0OC時的電阻值,為100.3 o _A=3.90802 乂0 CB=-5.802 10°C由于電阻Rt和溫度T之間的關(guān)系是非線性的,因此在設(shè)計變送 器時必須進行線性校正,本系統(tǒng)采用三線制鉗熱電阻測溫電橋電路

6、.輸出電壓U.與電阻Rt之間成近似線性關(guān)系.在限制精度范圍內(nèi)有 效解決非線性問題.圖2 電橋電路2、數(shù)據(jù)顯示和鍵盤限制當系統(tǒng)工作時,數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度和檢測溫度,到達設(shè)定溫度 范圍內(nèi)采用PID限制算法對溫度進行有效限制,保溫倒計時.用串行 方式,可有效消除掃描顯示的抖動問題.可通過鍵盤對PID及加熱周 期參數(shù)進行在線設(shè)定和修改.三、系統(tǒng)限制算法：1、系統(tǒng)中PID限制算法的設(shè)計PID限制目的就是將器件的工作溫度以一定的精度穩(wěn)定在一定 的范圍內(nèi).在限制系統(tǒng)中,首先將需要限制的被測參數(shù)有傳感器產(chǎn)生 一定的參數(shù)后與預先設(shè)定的值比較,把比較得到的差值信號經(jīng)一定的 運算規(guī)律得到相應(yīng)的限制,不停地進行上述的

7、工作,從而到達自動調(diào) 節(jié)的目的.PID限制原理的根本方法應(yīng)系統(tǒng)的不同而不同.本系統(tǒng)采 用的積分別離PID限制算法,限制量輸出為位置式的輸出形式.采用 此法即保持了積分作用又減少的超調(diào)量,是限制有較大改善.U (k) - U (k - 1) K p * e(k) - e(k - 1) Ki * e(k) Kd * e(k)- 2e(k - 1) e(k - 2)e(k)、e(k-1)、e(k-2)為此時刻、前一時刻、再前一時刻的差值信號.2、系統(tǒng)中PID設(shè)計的優(yōu)點和方法這種方法的好處在于只需保持前三個時刻的差值信號,同時對控 制輸出量的初始值沒有要求,所以很快就可以進入穩(wěn)定限制過程.對于加熱溫度

8、的限制可以采用調(diào)節(jié)電壓或者在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例調(diào)節(jié)加溫限制溫度.本系統(tǒng)采用的是調(diào)節(jié)加熱時間比例的方法：首先設(shè)計一個標準加熱周期,比方2分鐘,系統(tǒng)就在這個2分鐘周期內(nèi)對輸出進行限制,也就是說這個兩分鐘加熱多少 時間.更據(jù)計算可以讓加溫時間在 0-2分鐘內(nèi)變化,比方計算所得 在這一個周期內(nèi)加熱1分10秒,經(jīng)過2分鐘后再檢測被加熱物體的 溫度,通過計算加熱1分5秒等等,在這除了加熱外就是不加熱,等 待下一個周期的到來,再進行實際測量計算下一個周期系統(tǒng)的輸出 量,周而復始,不斷地修正輸出量,以到達對溫度的有效限制.增量式PID算法流程圖:Tfet<£1lt全速力口熱PI

9、D限制程序停止加熱WSf4L:U(k-l)=e(k-l)=<k-2)=O1)Ud=lQ <k>-2<k- n+<k-2)U(k)=U(k-1 HU+Ui+Ua尸白翼-11電01尸電UQk-1> U(k)四、PID限制器及其算法介紹：比例加積分加微分限制器簡稱 PID限制器,它的輸出信號m(t), 與輸入信號e(t)和它的積分微分成比例,即Kn tm(t): Kpe(t) pT 0e(t)dt Kp e(t)模擬PID限制系統(tǒng)框圖:圖6.2篌報PID限制系境框圖當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時, PID限制 可根據(jù)測量信號與給定值的偏差進行比例

10、P、積分I、微分D 運算,從而輸出某個適當?shù)南拗菩盘柦o執(zhí)行機構(gòu), 促使測量值恢復到 給定值,到達自動限制的效果.比例運算是指輸出限制量與偏差的比例關(guān)系.比例參數(shù)P設(shè)定值 越大,限制靈敏度越低,設(shè)置值越小.限制靈敏度越高.例如比例參 數(shù)P設(shè)定為4%表示測量值偏離給定值4%寸,輸出限制量變化100% 積分運算的目的是消除偏差.只要偏差存在,積分作用將限制向 量向偏差消除的方向移動.積分時間是表示積分作用強度的單位. 設(shè) 定的積分時間越短,積分作用越強.例如積分時間設(shè)定為240秒時,表示對固定的偏差,積分作用的輸出量到達和比例作用相同的輸出量 需要240秒.比例作用和幾分作用是對限制結(jié)果的修正作用,

11、響應(yīng)較慢.微分作用是為了消除其缺點而補充的. 微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的 速度對輸出量進行修正,是限制過程盡快恢復到原來的限制狀態(tài), 微分時間是表示微分作用強度的單位,儀表設(shè)定的微分時間越長,那么以 微分作用進行的修正越強.PID模塊的溫度限制精度主要受 P、I、D這三個參數(shù)影響.其中 P代表比例,I代表積分,D代表微分.比例運算P比例限制是建立與設(shè)定值SM相關(guān)的一種運算,并根據(jù)偏差在 求得運算值限制輸出量.如果當前值PW小,運算值為100% 如果當前值在比例帶內(nèi),運算值根據(jù)偏差比例求得并逐漸減小直到 SV和PV匹配即,直到偏差為0,此時運算值回復到先前值前 饋運算.假設(shè)出現(xiàn)靜差剩余偏差,可用減小

12、P方法減小剩余偏差. 如果P太小,反而會出現(xiàn)振蕩.積分運算I 將積分與比例運算相結(jié)合,隨著調(diào)節(jié)時間延續(xù)可減小靜差.積分 強度用積分時間表示,積分時間相當于積分運算值到比例運算值在階 躍偏差響應(yīng)下到達的作用所需要的時間. 積分時間越小,積分運算的 校正時間越強.但如果積分時間值太小,校正作用太強會出現(xiàn)振蕩.微分運算D比例和積分運算都校正限制結(jié)果,所以不可預防地會產(chǎn)生響應(yīng)延 時現(xiàn)象.微分運算可彌補這些缺陷.在一個突發(fā)的干擾響應(yīng)中,微分 運算提供了一個很大的運算值,以恢復原始狀態(tài).微分運算采用一個 正比于偏差變化率微分系數(shù)的運算值校正限制.微分運算的強度 由微分時間表示,微分時間相當于微分運算值到達

13、比例運算值在階躍偏差響應(yīng)下到達的作用所需的時間微分時間值越大,微分運算的校正強度越強.五、系統(tǒng)中PID參數(shù)的選擇由于PID模塊的溫度限制精度主要受Kp、降、L這三個參數(shù) 影響,所以本例中采用了一種簡單實用的方法：比方加熱范圍為 0200°C,假設(shè)要得到0200之間的加溫比例數(shù)據(jù),只用考慮簡單的比 例限制算法,限制范圍為 200度,那么設(shè)定溫度與實際溫度的差的最 大值就是200度,那么就用它去輸出,這是的參數(shù)Kp=1,當為了提升 加熱速度,而是受控的區(qū)域縮小,例如只限制 40度范圍,如果目標 溫度設(shè)定為130,這個時候就把計算得到的數(shù)字乘以 5就得到0200 的數(shù)據(jù)了.假定當前實際測量

14、溫度為 115度,那么130-115=15 ,再乘 以5得75 ,這就是作為輸出的比例數(shù)據(jù).此時 Kp=5 ,再參加微分和 積分量,這時Kp可以根本上保持不變.這樣就確定了 Kp=根本時間 總周期/限制范圍.而對于Ki、Kd就可以在實驗中逐漸摸索確定,最 終到達穩(wěn)定點.最后還要注意,在計算結(jié)果交付于輸出之前還要進行 修改,比方當計算結(jié)果大于 200度時按200輸出,小于零時按零輸 出.六、系統(tǒng)實驗結(jié)果對系統(tǒng)進行溫度限制測得的結(jié)果所描繪的曲線圖形. 橫坐標為采 樣時間分鐘,縱坐標為限制溫度設(shè)定溫度1100c .限制效果不 錯.七、論文總結(jié)：PID限制原理的優(yōu)點在于能夠在限制過程中根據(jù)預先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動限制量以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定平衡狀態(tài)過度,最后到達限制范圍精度內(nèi)穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài). 對于PID限制器和算法在 實踐中可以根據(jù)工程限制的具體情況及對超調(diào)量、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度 的不同要求,來調(diào)整PID限制器三個參數(shù)的取值范圍,從而得到不同 的限制精度和限制效果.我論文主要通過溫度限制研究