PID方式控溫實例

1、一個實用的單片機(jī) PID 方式控溫實例1:基本情況本例中控制對象是一款小型專用工業(yè)烘箱要求恒溫范圍：室溫-300C恒溫精度：與 C（其它指標(biāo)略）他：控制器硬件（參考原理圖）.單片機(jī)采用（C51 系列）TI 公司的 MCS1210Y4（內(nèi)部有 8 通道 24 位 AD 轉(zhuǎn)換器）串行口在線編程2.前向通道溫度信號 （來自烘箱的 Pt100 電阻信號） 經(jīng) INA118 放大送入 AD 通道 CH03.后向通道 I/O 口驅(qū)動光耦 MOC-3061,再驅(qū)動大功率雙向可控硅輸出4.鍵盤 up 遞增按鈕和 down 遞減按鈕，設(shè)置目標(biāo)溫度5.LED（3 位）顯示溫度值（軟件切換顯示目標(biāo)溫度或采樣溫度）6

2、.電源+5V 單電源8：軟件介紹（由 C 語言編寫）1.流程采樣當(dāng)前溫度-PID 運算-PWM（占空比式）輸出2.溫度采樣采樣周期是一個很重要的參數(shù)其確定取決于烘箱的固有響應(yīng)特性參數(shù)（比如純滯后時間 0 以及響應(yīng)時間常數(shù)力一般值在 4-20 秒之間（例中取 16 秒）3.PID 運算每采樣一次之后進(jìn)行一次 PID 運算，得到一個輸出量，供輸出函數(shù)調(diào)用.為了下面敘述方便先定義幾個變量定義：T_target 表示目標(biāo)溫度T_real 表示當(dāng)前溫度T_diff 表示當(dāng)前溫差并且 T_diff=T_target-T_realPID 運算表達(dá)式如下PWM_OUT=P_OUT+I_OUT+D_OUT+P_

3、H;（求代數(shù)和）其中 P_OUT=KP*（T_diff）稱為比例項，KP 是比例系數(shù)，比例項的作用是糾正偏差.比例項輸出等于比例系數(shù)乘當(dāng)前溫差（原理圖）I_OUT=KI*E（diff）稱為積分項，KI 是積分系數(shù)，積分項用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差2（diff）含義是由當(dāng)前算起前面 N 次采樣溫差的和（例中 N 取 20）D-_OUT=KDAdiff 稱為微分項，KD 是微分系數(shù)，微分項用于減小系統(tǒng)超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性.（diff 當(dāng)前溫差-上次溫差）P_H=KC*（T_target）稱為維持功率項，達(dá)溫后（其它項均趨于 0）此項起抵消散熱維持溫度的作用，可增加系統(tǒng)穩(wěn)定性.KC 是維持功率系數(shù)如果約

4、定滿功率值為 100,停止輸出功率值為 0 那末 PWM_OUT 的取值范圍就確定為 0-100 主要是為了后面編制輸出函數(shù)時方便簡明，直接調(diào)用 PWM_OUT 作為輸出占空比的百分?jǐn)?shù)）后面整定系數(shù)時就要兼顧 PWM_OUT 的取值范圍4 源程序(部分)#defineKP3.0#defineKI0.3#defineKD200.0#defineKC0.1#defineT_c16sbitpid_port=P3 八 5;控制輸出端口floatT_target=0;/目標(biāo)溫度floatT_real=0;當(dāng)前溫度floatPWM=0;輸出控制量 1-100bitread_AD_enable=0;/PID

5、 運算允許標(biāo)志位/T0 定時器初始化voidTimer0_Init()(.TMOD|=0 x01;TF0=0;TR0=1;IE|=0 x02;)讀取 AD 轉(zhuǎn)換值并刻度voidread_AD(void)(intdelta_ad;unsignedcharad3;ad0=ADRESH;ad1=ADRESM;ad2=ADRESL;delta_ad=ad0*0 x100+ad1-0 x23cb;?if(delta_ad=20)curr_=0;/20 次采樣elsecurr_+=1;sum_diff-=diffcurr_;減去最老的一次溫差值diffcurr_=T_target-T_real;/當(dāng)前溫差

6、sum_diff+=diffcurr_;加上最新的一次溫差值，即當(dāng)前p_out=KP*diffcurr_;比例項輸出比例 x 當(dāng)前溫差i_out=KI*sum_diff;積分項輸出積分系數(shù) x 積分值d_out=KD*(diffcurr_-temp);微分項輸出微分系數(shù) x 微分值pwm_0=KC*T_target;維持功率項維持系數(shù) x 設(shè)定溫度if(i_out100)i_out=100;積分分離防止積分飽和if(i_out-100)i_out=-100;PWM=p_out+i_out+d_out+pwm_0;總輸出量if(PWM=100)PWM=100;大于 100 時為 100/輸出函數(shù)

7、voidPWM_OUT(floatPWM)(staticunsignedchart=1;/t=(1100)周期為 4 秒靜態(tài)變量 40ms 調(diào)用一次即 4秒分成 100 份unsignedcharlimit;/pid_value 輸出百分比limit=(unsignedchar)PWM;強(qiáng)制轉(zhuǎn)換if(t100)t=1;I*/T0 中斷服務(wù)程序voidTimer0_ISR()interrupt1using1(staticunsignedintx=0;TH0=(28672)8;/11.0592MHz,interval40mSTL0=(28672+20)&0 xff;/+20compensa

8、te 補(bǔ)嘗TF0=0;if(x+)(T_c*25)(x=0;read_AD_enable=1;/PID 運算允許標(biāo)志位PWM_OUT(PWM);可控硅輸出/*主程序*/voidmain(void)(/程序初始化(略)while(1)（if（read_AD_enable=1）/PID 運算允許標(biāo)志位每 40ms 運算一次 PID 讀一次AD（read_AD_enable=0;read_AD（）;讀 ADpid（）;運算 PID5.參數(shù)的整定（這大概是最困難而且費時的事）T_c（采樣周期）單從控制精度上考慮，T_c 當(dāng)然是越小越好，但過小占用處理器的運算時間會加長，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，例中主要考

9、慮被控對象的時間常數(shù)和純滯后時間0,下面用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法求取 p 及0.a.使系統(tǒng)處于開環(huán)，手動直接在被控對象輸入端加一個階躍信號描繪出響應(yīng)曲線（如圖）b.在響應(yīng)曲線的最大斜率處作切線即可得到0和Tc.選擇 T_c,當(dāng)。占主導(dǎo)地位時，應(yīng)盡量使0為 T_c 的整倍數(shù)如 0=2T_c 或 0=T_C,當(dāng)0比 T_c 小得多時，可取 T_c=r/10KP（比例系數(shù)）先定為 1,做一個簡單的只有比例調(diào)節(jié)的函數(shù)，使系統(tǒng)工作于閉環(huán)，T_target 定在 150c（恒溫范圍的中間值）紀(jì)錄響應(yīng)曲線，如果曲線沒有出現(xiàn)振鈴則可能是 KP 偏小，調(diào)整 KP,使曲線出現(xiàn)輕微振鈴.反之振鈴幅度過大，則可能是 KP 偏

10、大.KC（維持功率系數(shù)）借用5.中的曲線（如下圖）根據(jù)圖中所示由 KC*150=PWM_H 導(dǎo)出 KCKI（積分系數(shù)）KI 的選取與 T_c 和積分時長有關(guān)，回過頭看源程序 PID 運算函數(shù)中有一個靜態(tài)數(shù)組，記錄過去 t 時刻到當(dāng)前的各個溫度采樣值.每一次采樣之后都要更新 （淘汰掉最早的采樣值，加入當(dāng)前采樣值）.積分時長=T_c*采樣個數(shù)（即數(shù)組大小SIZE）積分時長的選擇一般使它大于純滯后時間8即可，反過來通過 T_c 和0可以確定數(shù)組的大小 SIZE ,接著套用下式就可以大致確定 KI 了.KI*SIZE=10%*滿功率值KD（微分系數(shù)）Kd 取值大致為純滯后時間0（比如0=200,KD 先取 200,后根據(jù)實驗在調(diào)整）以上的步驟可能要反復(fù)進(jìn)行多次，各個系數(shù)也要作相應(yīng)的調(diào)整.這里我介紹一個站長編寫的并已成功應(yīng)用的調(diào)試軟件 HUANENG.EXE專用于串行口數(shù)據(jù)分析繪圖，可同時描繪 8 條曲線，（VC 編寫）使用非常簡單，只需在上面源程序中 pid（）函數(shù)末尾加上幾行