基于PID算法的模拟温度闭环控制系统课程设计报告

模拟PID闭环控制系统的设计与实现
模拟PID闭环控制系统的设计与实现
⼀、实验⽬的
1、了解和掌握连续控制系统的模拟PID参数整定⽅法。

2、分析不同被控对象设计校正⽹络的原理⽅法。

3、掌握校正⽹络P、PI、PD、PID调节器参数整定的⽅法。

4、观察和分析校正⽹络对系统性能的影响。

⼆、实验原理及内容
1、实验原理（⾃查）
2、实验内容
（1）控制系统模拟结构图
三阶闭环系统模拟电路图
（2）求出该电路的开环传递函数。

（3）求出该电路的闭环传递函数。

（4）⽤MATLAB/Simlink仿真系统的单位阶跃响应，分析其稳定性。

（5）⽤MATLAB程序，分析该系统⽐例、微分、积分控制对系统的影响。

（6）⽤MATLAB/Simlink仿真校正后系统的单位阶跃响应。

（7）⽤TD-ACC+教学实验系统进⾏校正的实现。

三、实验要求
设计P、PI、PD、PID闭环控制系统、要求其超调M P≤30%，调节时间尽可能⼩。

四、实验报告要求
1、⾃⾏整定参数，构建校正系统，按要求填写下表：（某些校正⽆法达到预期效果，可不填）
2、对各阶跃响应曲线进⾏分析
五、思考题
1、总结选择K P、K I、K D的⽅法。

2、实际系统应⽤中，⼀般采⽤PI或PD控制替代PID控制，为什么？是否PID的效果⼀定好于PI或PD?。

pid温控课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解PID温控的基本概念，掌握其工作原理；2. 使学生掌握PID参数的调整方法，了解不同参数对温控效果的影响；3. 帮助学生了解PID温控在实际应用中的优势及其在自动化领域的应用。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识，进行PID温控系统的设计与调试能力；2. 提高学生分析问题和解决问题的能力，使其能够针对实际温控需求，调整PID参数；3. 培养学生团队协作能力，通过小组讨论和实践，共同完成温控系统的搭建和优化。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动化技术的兴趣和热情，激发其探索精神；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据的真实性；3. 引导学生关注环保和节能，认识到PID温控在节能减排中的重要性。

分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在使学生通过理论学习与实践操作，掌握PID温控的基础知识和技能，培养其创新意识和团队协作能力，同时提高学生解决实际问题的能力。

课程目标具体、可衡量，以便教师进行教学设计和评估，确保学生能够达到预期的学习成果。

二、教学内容1. 理论知识：- PID温控原理：讲解比例（P）、积分（I）、微分（D）控制的基本概念和作用；- PID参数调整：介绍PID参数对温控效果的影响，以及调整方法；- 实际应用案例分析：分析PID温控在工业、农业、医疗等领域的应用案例。

2. 实践操作：- 搭建PID温控系统：指导学生使用温控模块、传感器、控制器等元件，搭建简单的温控系统；- PID参数调试：让学生分组进行实验，调整PID参数，观察温控效果，分析数据；- 创新设计：鼓励学生针对实际需求，对PID温控系统进行优化和改进。

3. 教学大纲：- 第一周：PID温控原理学习；- 第二周：PID参数调整方法学习；- 第三周：实际应用案例分析；- 第四周：搭建PID温控系统及参数调试；- 第五周：创新设计及优化。

教学内容依据课程目标，结合课本相关章节，科学、系统地组织，确保学生能够掌握PID温控的基础知识和实践技能。

基于PID的温度控制系统设计PID（比例-积分-微分）控制系统是一种常见的温度控制方法。

它通过测量实际温度和设定温度之间的差异，并相应调整加热器或冷却器的输出来控制温度。

在本文中，将介绍PID控制系统的基本原理、设计步骤和实施细节，以实现一个基于PID的温度控制系统。

一、基本原理PID控制系统是一种反馈控制系统，其核心思想是将实际温度值与设定温度值进行比较，并根据差异进行调整。

PID控制器由三个部分组成：比例控制器（P），积分控制器（I）和微分控制器（D）。

比例控制器（P）：根据实际温度与设定温度之间的差异，产生一个与该差异成正比的输出量。

比例控制器的作用是与误差成正比，以减小温度偏差。

积分控制器（I）：积分控制器是一个与误差积分成比例的系统。

它通过将误差累加起来来减小持续存在的静态误差。

积分控制器的作用是消除稳态误差，对于不稳定的温度系统非常有效。

微分控制器（D）：微分控制器根据温度变化速率对输出进行调整。

它通过计算误差的变化率来预测未来的误差，并相应地调整控制器的输出。

微分控制器的作用是使温度系统更加稳定，减小温度变化速率。

二、设计步骤1.系统建模：根据实际温度控制系统的特点建立数学模型。

这可以通过使用控制理论或系统辨识技术来完成。

将得到的模型表示为一个差分方程，包含输入（控制输入）和输出（测量温度）。

2.参数调整：PID控制器有三个参数：比例增益（Kp）、积分时间（Ti）和微分时间（Td）。

通过试验和调整，找到最佳的参数组合，以使系统能够快速稳定地响应温度变化。

3.控制算法：根据系统模型和参数，计算控制器的输出。

控制器的输出应是一个与实际温度偏差有关的控制信号，通过改变加热器或冷却器的输入来调整温度。

4.硬件实施：将控制算法实施到硬件平台上。

这可以通过使用微控制器或其他可编程控制器来实现。

将传感器（用于测量实际温度）和执行器（用于控制加热器或冷却器）与控制器连接起来。

5.调试和测试：在实际应用中，进行系统调试和测试。

基于模糊PID算法的温度控制系统的设计基于模糊PID算法的温度控制系统的设计摘要：本文主要介绍了基于模糊PID算法的温度控制系统的设计。

首先介绍了温度控制系统的背景和重要性，然后详细介绍了PID控制算法和模糊PID控制算法的原理和特点。

接着，我们设计了基于模糊PID算法的温度控制系统，并进行了实验验证，测试了系统的控制性能。

最后，对实验结果进行了分析和总结。

关键词：温度控制系统；PID控制算法；模糊PID控制算法；控制性能1. 引言随着科学技术的发展和工业生产的进步，温度控制在各个领域都起着重要的作用，如工业生产中的温度控制、环境监测中的温度控制等。

传统的温度控制系统采用PID控制算法，能够较好地实现控制目标。

然而，对于存在非线性、时变性、模型不准确等问题的温度控制系统来说，传统的PID控制算法不一定能够获得满意的控制效果。

因此，引入模糊PID控制算法成为了一个研究热点。

2. PID控制算法和模糊PID控制算法的原理和特点2.1 PID控制算法的原理和特点PID控制算法是一种经典的控制算法，由比例、积分和微分三个部分组成。

具体来说，PID控制器根据当前的偏差，分别计算比例部分、积分部分和微分部分的控制量，最后将这三个控制量进行线性组合，得到最终的控制量。

PID控制算法具有简单、稳定性好等特点，被广泛应用于工业控制领域。

2.2 模糊PID控制算法的原理和特点模糊PID控制算法是PID控制算法与模糊控制算法相结合的一种控制方法。

模糊控制算法能够处理非线性、不确定性的系统，因此在对温度控制系统进行非线性控制时，模糊PID控制算法可以更好地适应系统的变化。

模糊PID控制算法的核心思想是将PID控制算法中的参数进行模糊化，使得控制器能够根据当前的控制误差和误差的变化率进行模糊推理，从而实现对温度控制系统的精确控制。

3. 基于模糊PID算法的温度控制系统的设计3.1 系统结构设计基于模糊PID算法的温度控制系统包括传感器、执行器、温度控制器等部分。

一、控制对象：1.2.1 被控对象本次设计为软件仿真，通过PID算法控制系统在单位阶跃信号u(t)的激励下产生的零状态响应。

传递函数表达式为：1.2.2 设计规定规定系统可以快速响应，并且可以迅速达成盼望的输出值。

本次设计选用PID控制算法，PID控制器由比例控制单元P、积分控制单元I和微分控制单元D组成。

其输入与输出的关系为式中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

二、控制规定分析：设定目的温度，使温度呈单位阶跃形式在目的温度处趋于震荡稳定。

使系统可以在任意设定的目的温度下，从现有温度达成目的温度，并趋于稳定状态。

三、可行性分析:参考国内外的技术资料，可以通过计算机仿真技术实现该模拟温度闭环控制系统；运用C语言实现基于PID算法的模拟温度闭环控制系统。

四、总体设计：4.1控制系统组成控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图4.2工作原理：在图1 所示系统中，D(z)为该系统的被控对象，零状态下，输入为单位阶跃信号R 的输出反馈给输入。

在参数给定值R的情况下，给定值R 与反馈值比较得到偏差，通过PID 调节器运算产生相应的控制量，PID 调节器的输出作为被控对象的输入信号，是输入的数值稳定在给定值R 。

4.3模拟PID 控制算法原理：在模拟系统中PID 算法的表达式为：式中，P(t)为调节器输出信号，e(t)为调节器偏差信号，它等于测量值与给定值之差；Kp 为调节器的比例系数，1/T1为调节器的积分时间， Td 为调节器的微分时间。

在计算机控制系统中，必须对上式进行离散化使其成为数字式的差分方程。

将积分式和微分项近似用求和及增量式表达。

即：PID 控制器 D(z) u 1(t) R + e(t) _ u(t)将上面两个式子代入第一式，得：由此式可以运用递推求出K-1次的PID输出表达式用K-1次的输出减去第K次的输出得：4.4系统设计流程图由此可以编制基于PID算法的C语言程序实现温度闭环控制系统。

pid温度控制设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解PID温度控制的基本原理，掌握其组成部分及功能。

2. 学生能掌握PID控制器参数的调整方法，并了解其对温度控制效果的影响。

3. 学生了解传感器在温度控制过程中的作用，能正确解读传感器数据。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的PID温度控制系统，并进行模拟实验。

2. 学生具备分析温度控制过程中出现的问题，并提出相应解决方案的能力。

3. 学生能熟练使用相关仪器设备，进行温度控制实验操作。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对自动化技术的兴趣，激发创新意识，提高实践能力。

2. 学生在团队合作中，学会相互沟通、协作，培养团队精神。

3. 学生认识到温度控制在生产生活中的重要性，增强社会责任感。

课程性质：本课程为实践性较强的课程，结合理论知识和实际操作，培养学生的动手能力和问题解决能力。

学生特点：学生具备一定的物理知识和数学基础，对实际操作感兴趣，喜欢探索新知识。

教学要求：注重理论与实践相结合，强调学生的主体地位，鼓励学生积极参与实验，培养学生的创新思维和实际操作能力。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容1. 理论知识：- PID温度控制基本原理：比例（P）、积分（I）、微分（D）控制作用及组合控制策略。

- 温度传感器原理及种类：热电偶、热敏电阻等。

- 控制器参数调整方法：参数对温度控制性能的影响。

- 温度控制系统的数学模型及其建立方法。

2. 实践操作：- 设计并搭建简单的PID温度控制系统，进行模拟实验。

- 调试控制器参数，观察温度控制效果。

- 分析实验过程中出现的问题，并提出解决方案。

3. 教学大纲：- 第一阶段：PID温度控制基本原理学习，了解传感器原理及种类。

- 第二阶段：控制器参数调整方法学习，掌握温度控制系统的数学模型。

- 第三阶段：实践操作，设计并搭建PID温度控制系统，进行实验分析。

教学内容安排与进度：- 理论知识学习：共计4课时。

基于PID算法的温度控制系统设计随着科技的不断发展，温度控制系统得到了广泛的应用。

无论是工业制造还是家庭生活，都会用到温度控制系统。

在这个系统中，PID算法是最常用的控制算法之一。

本文将介绍基于PID算法的温度控制系统的设计。

一、系统概述温度控制系统可以用于控制温度控制在一定范围内。

该系统包括一个温度传感器、一个控制器、一个执行器和一个热源。

其中，温度传感器用于将温度信号转换成电信号，控制器用于处理电信号，执行器用于控制热源加热或停止加热。

在温度控制系统中，PID算法是控制器中使用的一种算法。

二、PID算法原理PID控制算法分别根据偏差、积分错误和微分错误来控制系统。

PID算法控制器包括控制模块、时间模块、输出模块、PID模块和作用模块。

该算法可以通过增大或减少控制器的输出来控制系统的状态，以便实现温度控制。

模型中包含比例项、积分项和微分项。

控制器采用增益因子对其中的每一个部分进行调整，以便更好地控制系统。

三、系统设计在设计基于PID算法的温度控制系统时，需要首先将传感器连接到控制器。

控制器可以收集从温度传感器中收集的温度信号并将其转换成电信号。

然后，该信号将被发送到PID算法控制器，该控制器可以使用PID算法来计算输出信号。

输出信号可以通过执行器来控制加热或停止加热的热源，从而实现温度控制。

四、系统的优点基于PID算法的温度控制系统可以实现更准确和更稳定的温度控制。

相对于其他控制算法来说，该算法具有更优秀的响应特性和更敏感的响应速度。

此外，该算法可以进行现场校准，更容易进行二次开发。

五、系统的应用基于PID算法的温度控制系统广泛应用于各个领域。

在工业制造领域，该系统可以用于控制各种设备和工具的温度，以保证生产质量。

在医疗领域，该系统可以用于监控体温，并确保患者在治疗过程中保持稳定的体温。

此外，在家庭生活中，基于PID算法的温度控制系统可以帮助人们更好地控制室内温度，从而提高生活舒适度。

总之，基于PID算法的温度控制系统可以广泛应用于各种领域。

pid温度控制实验报告本实验旨在设计和实现PID温度控制系统，通过控制电热水壶水温，检验PID控制系统在温度控制方面的效果。

一、设计和建立PID温度控制系统本实验采用Arduino开发板作为控制器，其中温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，用于感知电热水壶内部的温度。

为了控制电热水壶的加热和停止加热，我们采用继电器模块，通过控制继电器的开关状态来实现电热水壶的加热和停止加热。

本实验还采用了LCD1602液晶显示屏，显示实时温度数据和PID控制结果。

PID控制器由三个部分组成，分别是P(proportional)、I(integral)、D(derivative)，它能够根据被控对象的反馈信号及预设值，计算出控制量，实现控制目标。

在本实验中，我们需要控制电热水壶加热时的水温，设定的目标温度为40℃。

二、实验步骤1、硬件连接连接Arduino开发板和其他硬件模块，电热水壶的加热和停止加热分别由继电器的开关状态来实现。

2、编程实现编写程序，包括温度检测、PID控制计算、控制电热水壶加热和停止加热、LCD显示等功能模块。

具体的程序实现细节见下文。

3、调试进行调试，测试温度控制系统的效果。

三、实验结果电热水壶温度控制的PID算法具体实现如下：``` c++// 定义PID控制器struct PID{float Kp; // P参数float Ki; // I参数float Kd; // D参数float pre_error; //上次误差float integral; //积分值} pid;pid.Kp = 5; // 由系统特性等确定pid.Ki = 0.1;pid.Kd = 1;const int relayPin = 2; // 继电器控制引脚2const int ledPin = 13; // LED控制引脚13void setup(){Serial.begin(9600);lcd.begin(16,2);pinMode(relayPin, OUTPUT);lcd.display();lcd.clear();// 变量初始化pid.pre_error = 0;pid.integral = 0;}void loop(){// 读取温度float temp = getTemperature();// 计算PIDfloat error = setpoint - temp;pid.integral += error * sampleTime;float derivative = (error - pid.pre_error) / sampleTime;float output = pid.Kp * error + pid.Ki * pid.integral + pid.Kd *derivative;// 控制电热水壶if(output > 0){digitalWrite(relayPin, HIGH); digitalWrite(ledPin, HIGH); }else{digitalWrite(relayPin, LOW); digitalWrite(ledPin, LOW); }// 保存本次误差pid.pre_error = error;// 显示温度和PID值lcd.setCursor(0, 0);lcd.print("Temp:");lcd.print(temp, 1);lcd.setCursor(0, 1);lcd.print("PID :");lcd.print(output, 1);// 延时一段时间delay(sampleTime);}// 读取温度float getTemperature(){byte data[12];byte addr[8];if ( !ds.search(addr)){ds.reset_search();delay(250);return -1000;}if ( OneWire::crc8( addr, 7) != addr[7]){Serial.println("CRC is not valid!");return -1000;}if ( addr[0] != 0x28){Serial.println("Device is not a DS18B20 family device."); return -1000;}ds.reset();ds.select(addr);ds.write(0x44,1);byte present = ds.reset();ds.select(addr);ds.write(0xBE);for (int i = 0; i < 9; i++){data[i] = ds.read();}int16_t raw = (data[1] << 8) | data[0];if (type_s){raw = raw << 3;if (data[7] == 0x10){raw = (raw & 0xFFF0) + 12 - data[6];}}else{byte cfg = (data[4] & 0x60);if (cfg == 0x00) raw = raw & ~7; // 9 bit resolution, 93.75 ms else if (cfg == 0x20) raw = raw & ~3; // 10 bit res, 187.5 ms else if (cfg == 0x40) raw = raw & ~1; // 11 bit res, 375 ms// default is 12 bit resolution, 750 ms conversion time}float celsius = (float)raw / 16.0;return celsius;}```实验通过控制器成功将水温控制在设定值40℃左右，且温度波动很小，表明PID控制器具有很好的控制效果。

基于PID的温度控制系统设计PID（Proportional-Integral-Derivative）是一种常见的控制算法，被广泛应用于各种工业自动化系统中，其中包括温度控制系统。

本文将基于PID算法设计一个温度控制系统。

1.温度控制系统概述温度控制系统是一种典型的反馈控制系统，用于维持系统的温度在预定范围内。

温度传感器将感测到的温度信号反馈给控制器，控制器根据反馈信号与设定的温度进行比较，并根据PID算法计算出控制信号，通过执行器（例如加热器或冷却器）改变环境温度，以使温度保持在设定值附近。

2.PID控制算法原理2.1 比例控制（Proportional Control）比例控制根据设定值与反馈值之间的偏差大小来调整控制信号。

偏差越大，控制信号的改变越大。

比例控制能够快速减小偏差，但无法消除稳态误差。

2.2 积分控制（Integral Control）积分控制通过累积偏差来调整控制信号。

积分控制可以消除稳态误差，但过大的积分参数会引起控制系统的不稳定。

2.3 微分控制（Derivative Control）微分控制根据偏差的变化率来调整控制信号。

微分控制可以快速响应温度的变化，但不适用于快速变化的温度。

3.PID控制器设计PID控制器的输出可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)为控制器的输出，Kp、Ki、Kd为比例、积分和微分增益，e(t)为温度的偏差，即设定值与反馈值之差，de(t)/dt为温度偏差的变化率。

3.1比例增益的选择比例增益决定了系统对偏差的响应速度。

如果比例增益太大，系统会产生超调现象；如果比例增益太小，系统的响应速度会变慢。

因此，在实际应用中需要通过试验来选择合适的比例增益。

3.2积分时间的选择积分时间决定了系统对稳态误差的补偿能力。

如果积分时间太大，系统对稳态误差的补偿能力会增强，但会导致系统的响应速度变慢，甚至产生振荡现象；如果积分时间太小，系统对稳态误差的补偿能力会减弱。

计算机控制技术课程设计学院：专业：班级：学号：姓名：指导教师：时间：基于PID算法的温度仿真温度是工业对象中一种重要参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和反应炉等。

用微型计算机对炉温进行控制，无论在控制品质，节约能源，还是在改善劳动环境等方面都显示了巨大的优越性。

本报告介绍了温度测量及自动控制系统的软件设计。

一、课设内容实现用PID闭环控制温度系统的仿真。

二、总体方案温度信号经过PID控制算法的处理，输出相应的控制信号。

此次课程设计侧重PID温度控制算法的实现。

三、控制系统分析：零状态下，输入为单位阶跃信号R的输出反馈给输入。

在参数给定值R的情况下，给定值R与反馈值比较得到偏差，经过PID调节器运算产生相应的控制量，PID调节器的输出作为被控对象的输入信号，是输入的数值稳定在给定值R 。

通过PID 算法控制系统在单位阶跃信号R(t)的激励下产生的零状态响应。

传递函数表达式为：经过Z 的反变换后得差分方程为：四、软件设计P ID调节由比例调节、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。

PID 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。

在实际应用中，根据被控对象的特征和控制要求，可灵活地改变PID 的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等。

PID 算法表达式：⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰dt t de T dt t e T t e p K t P D I )()(1)()()( （1）当采样周期T 很小时dt 可以用T 近似代替，)(t de 可用)1()(--t e t e 近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作如下近似Tt e t e dt t de )1()()(--≈ ⎰∑=≈tni Ti e dt t e 01)()(离散化后的PID 表达式：[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++=∑=)1()()()()(0k E k E T T j E T Tk E K k P DKj IP （2）在该系统中，选用位置型PID 进行程序设计，位置型PID 输出表达式如下：[])1()()()()(0--++=∑=k E k E K j E K k E K k P D Kj I P （3）在进行程序编写时，一般将（3）式作一下改进：[]⎪⎩⎪⎨⎧--=-+==)1()()1()()()()(k E k E K P k P k E K k P k E K k P D DI I I P P 根据该表达式，在计算机内进行具体的PID 运算，PID 程序流程图如图2。