溫度控制簡介和PID控制器

1、溫度控制簡介和PID 控制器過程控制系統(tǒng)自動過程控制系統(tǒng)是指將被控量為溫度、壓力、流量、成份等類型的過程變量保持在理想的運(yùn)行值的系統(tǒng)。過程實(shí)際上是動態(tài)的。變化總是會出現(xiàn)，此時如果不采取相應(yīng)的措施，那些與安全、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率有關(guān)的重要變量就不能滿足設(shè)計(jì)要求。為了說明問題，讓我們來看一下熱交換器。流體在這個過程中被過熱蒸汽加熱，如圖1所示。這一裝置的主要目的是將流體由入口溫度乃(f加熱到某一期望的出口溫度T(f。如前所述，加熱介質(zhì)是過熱蒸汽。只要周圍沒有熱損耗，過程流體獲得的熱量就等于蒸汽釋放的熱量，即熱交換器和管道間的隔熱性很好。很多變量在這個過程中會發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致出口溫度偏離期望值。如果

2、出現(xiàn)這種情況，就該采取一些措施來校正偏差，其目的是保持出口溫度為期望值。實(shí)現(xiàn)該目的的一種方法是首先測量r(0，然后與期望值相比較，由比較結(jié)果決定如何校正偏差。蒸汽的流量可用于偏差的校正。就是說，如果溫度高于期望值，就關(guān)小蒸汽閥來減小進(jìn)入換熱器的蒸汽流量；若溫度低于期望值，就開大蒸汽閥，以增加進(jìn)入換熱器的蒸汽流量。所有這些操作都可由操作員手工實(shí)現(xiàn)，操作很簡單，不會出現(xiàn)什么問題。但是，由于多數(shù)過程對象都有很多變量需要保持為某一期望值，就需要許多的操作員來進(jìn)行校正。因此，我們想自動完成這種控制。就是說，我們想利用無需操作人員介入就可以控制變量的設(shè)備。這就是所謂自動化的過程控制。為達(dá)到上述目標(biāo)，就需要

3、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個系統(tǒng)。圖2所示為一個可行的控制系統(tǒng)及其基本構(gòu)件。首先要做的是測量過程流體的出口溫度，這一任務(wù)由傳感器(熱電偶、熱電阻等 完成。將傳感器連接到變送器上，由變送器將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為足夠大的信號傳送給控制器?？刂破鹘邮张c溫度相關(guān)的信號并與期望值比較。根據(jù)比較的結(jié)果，控制器確定保持溫度為期望值的控制作用。基于這一結(jié)果，控制器再發(fā)一信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制蒸汽流量。下面介紹控制系統(tǒng)中的4種基本元件，分別是：(1傳感器，也稱為一次元件。(2變送器，也稱二次元件。(3調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)的“大腦”。(4執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常是一個控制閥，但并不全是。其他常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有變速泵、傳送裝置和電動機(jī)。這些元件

4、的重要性在于它們執(zhí)行每個控制系統(tǒng)中都必不可少的3個基本操作，即：(1測量：被控量的測量通常由傳感器和變送器共同完成。(2決策：根據(jù)測量結(jié)果，為了維持輸出為期望值，控制器必須決定如何操作。(3操作: 根據(jù)控器的處理, 系統(tǒng)必須執(zhí)行某種操作, 這通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成.如上所述, 每個控制系統(tǒng)都有M,D 和A 這3種操作.有些系統(tǒng)的決策任務(wù)簡單, 而有些很復(fù)雜. 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的工程師必須確保所采取確保所采取的操作能影響被控變量, 也就是說, 該操作要影響測量值. 否則, 系統(tǒng)是不可控的, 還會帶來許多危害.PID 控制器可以是獨(dú)立控制器（也可以叫做單回路控制器），可編程控制器（PLCs ）中的控制器

5、，嵌入式控制器或者是用Vb 或C#編寫的計(jì)算機(jī)程序軟件。PID 控制器是過程控制器，它具有如下特征：連續(xù)過程控制；模擬輸入（也被稱為“測量量”或“過程變量”或“PV ”）；模擬輸出（簡稱為“輸出”）；基準(zhǔn)點(diǎn)（SP ）；比例、積分以及/或者微分常數(shù)；“連續(xù)過程控制”的例子有溫度、壓力、流量及水位控制。例如：控制一個容器的熱量。對于簡單的控制，你使用兩個具有溫度限定功能的傳感器(一個限定低溫，一個限定高溫 。當(dāng)?shù)蜏叵薅▊鞲衅鹘油〞r就會打開加熱器，當(dāng)溫度升高到高溫限定傳感器時就會關(guān) 加熱器。這類似于大多數(shù)家庭使用的空調(diào)及供暖系統(tǒng)的溫度自動調(diào)節(jié)器。反過來，PID 控制器能夠接受像實(shí)際溫度這樣的輸入，控

6、制閥門，這個閥門能夠控制 進(jìn)入加熱器的氣體流量。PID 控制器自動地找到加熱器中氣體的合適流量，這樣就保持了溫度在基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定。溫度穩(wěn)定了，就不會在高低兩點(diǎn)間上下跳動了。如果基準(zhǔn)點(diǎn)降低，PID 控制器就會自動降低加熱器中氣體的流量。如果基準(zhǔn)點(diǎn)升高，PID 控制器就會自動的增加加熱器中氣體的流量。同樣地，對于高溫，晴朗的天氣(當(dāng)外界溫度高于加熱器時 及陰冷，多云的天氣，PID 控制器都會自動調(diào)節(jié)。模擬輸入(測量量 也叫做“過程變量”或“PV' 。你希望PV 能夠達(dá)到你所控制過程參數(shù)的高精確度。例如，如果我們想要保持溫度為+1度或1度，我們至少要為此努力，使其精度保持在01度。如果是一個12

7、位的模擬輸入，傳感器的溫度范圍是從0度到400度，我們計(jì)算的理論精確度就是4096除400度=0097656度。我們之所以說這是理論上因?yàn)槲覀兗俣囟葌鞲衅?，電線及模擬轉(zhuǎn)換器上沒有噪音和誤差。還有其他的假定。例如，線性等等。即使是有大量的噪音和其他問題，按理論精確度的110計(jì)算，1度精確度的數(shù)值應(yīng)該很容易得到的。模擬輸出經(jīng)常被簡稱為“輸出”。經(jīng)常在0到100之間給出。在這個熱量的例子中閥門完全關(guān)閉(0 ，完全打開(100 ?；鶞?zhǔn)點(diǎn)(SP很簡單，即你想要什么樣的過程量。在這個例子中一你想要過程處于怎樣的溫度。PID控制器的任務(wù)是維持輸出在一個程度上，這樣在過程變量(PV和基準(zhǔn)點(diǎn)(SP上就沒有偏差

8、(誤差 。在圖3中，閥門用來控制進(jìn)入加熱器的氣體，冷卻器的制冷，水管的壓力，水管的流量，容器的水位或其他的過程控制系統(tǒng)。PID控制器所觀察的是PV 和SP 之間的偏差(或誤差 。它觀察絕對偏差和偏差變換率。絕對偏差就是一'PV 和SP 之間偏差大還是小。偏差變換率就是PV 和SP 之間的偏差隨著時間的變化是越來越小還是越來越大。如果存在過程擾動，即過程變量或基準(zhǔn)點(diǎn)變化時一-PID 控制器就要迅速改變輸出，這樣過程變量就返回到基準(zhǔn)點(diǎn)。如果你有一個PID 控制的可進(jìn)入的冷凍裝置，某個人打開門進(jìn)入，溫度(過程變量 將會迅速升高。因此，PID 控制器不得不提高冷度(輸出 來補(bǔ)償這個溫度的升高。

9、一旦過程變量等同于基準(zhǔn)點(diǎn)，一個好的PID 控制器就不會改變輸出。你所要的輸出就會穩(wěn)定(不改變 。如果閥門(發(fā)動機(jī)或其他控制元件 不斷改變，而不是維持恒量，這將造成控制元件更多的磨損。這樣就有了兩個矛盾的目標(biāo)。當(dāng)有“過程擾動”時能夠快速反應(yīng)(快速改變輸出 。當(dāng)PV 接近基準(zhǔn)點(diǎn)時就緩慢反應(yīng)(平穩(wěn)輸出 。我們注意到輸出量經(jīng)常超過穩(wěn)定狀態(tài)輸出使過程變量回到基準(zhǔn)點(diǎn)。比如，一個制冷器通常打開它的制冷閥門的34，就可以維持在零度(在制冷器關(guān)閉和溫度降低后 。如果某人打開制冷器，走進(jìn)去，四處走，找東西，然后再走出來，再關(guān)上制冷器的門- PID 控制器會非常活躍，因?yàn)闇囟瓤赡軐⑸仙?0度。這樣制冷閥門就可能打開

10、50，75甚至100目的是趕快降低制冷器的溫度然后慢慢關(guān)閉制冷閥門到它的34。 讓我們思考一下如何設(shè)計(jì)一個PID 控制器。我們主要集中在過程變量(PV和基準(zhǔn)點(diǎn)(SP之間的偏差(誤差 上。有三種定義誤差的方式。絕對偏差他說明的是PV 和SP 之間的偏差有多大。如果PV 和SP 之間偏差小那我們就在輸出時作一個小的改變。如果PV 和SP 之間偏差大那我們就在輸出時作一個大的改變。絕對偏差就是PID 控制器的比例環(huán)節(jié)。累積誤差給我們點(diǎn)兒時間，我們將會明白為什么僅僅簡單地觀察絕對偏差(比例環(huán)節(jié) 是一個問題。累積誤差是很重要的，我們把它稱為是PID 控制器的積分環(huán)節(jié)。每次我們運(yùn)行PID 算法時，我們總會

11、把最近的誤差添加到誤差總和中。換句話說，累積誤差二誤差1+誤差2+誤差3+誤差4+。滯后時間滯后時間指的是PV 引起的變化由發(fā)現(xiàn)到改變之間的延時。典型的例子就是調(diào)整你的烤爐在合適的溫度。當(dāng)你剛剛加熱的時候，烤爐熱起來需要一定時間。這就是滯后時間。如果你設(shè)置一個初始溫度，等待烤爐達(dá)到這個初始溫度，然后你認(rèn)為你設(shè)定了錯誤的溫度，烤爐達(dá)到這個新的溫度基準(zhǔn)點(diǎn)還需要一段時間。這也就被認(rèn)為是PID 控制器的微分環(huán)節(jié)。這就抑制了某些將來的變化因?yàn)檩敵鲋狄呀?jīng)發(fā)生了改變，但并不是受過程變量的影響。 絕對偏差比例環(huán)節(jié)有關(guān)設(shè)計(jì)自動過程控制器，人們最初想法之一是設(shè)計(jì)比例環(huán)節(jié)。意思就是，如果PV 和SP 之間的偏差很小那么我們就在輸出處作一個小的修改；如果PV 和SP 之間的偏差很大-那么我們就在輸出處作一個大的修改。當(dāng)然這個想法是有意義的。我們在MicrosoftExcel 僅對比例控制器進(jìn)行仿真。圖4是顯示首次仿真結(jié)果的表格。(滯后時間二0，只含比例環(huán)節(jié)比例、積分控制器PID控制器中的積分環(huán)節(jié)是用來負(fù)責(zé)純比例控制器中的補(bǔ)償問題的。我們有另外一個Excel 的擴(kuò)展表格，表格上仿真的是一個具有比例積分功能的PID 控制器。這里(Pig5是比例積分控制器最初的仿真表格(滯后時間0，比例常數(shù)二04 。眾所周知，比例積分控制器要比僅有比例功能的比例控制器好得多，但是等于0的