一种应用于温度控制系统的PID控制电路设计

基于PID控制器的温度控制系统设计随着现代工业的快速发展，各种自动控制系统也得到了广泛应用。

其中，基于PID控制器的温度控制系统设计广泛应用于化工、制药、冶金等行业。

本文将从基本原理入手，详细论述基于PID控制器的温度控制系统设计。

一、PID控制器的原理PID控制器是一种经典的控制器，它采用比例、积分、微分三个控制量的组合，通过对控制量不同比例的组合，实现对被控对象的精确控制。

具体来说，PID控制器将被控对象的当前状态与期望的目标状态进行比较，计算出误差值，然后对误差值进行P、I、D三个控制量的加权计算，得到控制输出值，通过执行控制动作，使被控对象达到期望的目标状态。

其中，比例控制P以被控对象的当前状态与期望目标状态之间的误差值为输入，按比例放大输出控制信号，其控制效果主要针对误差量的大小。

积分控制I主要是针对误差值的积累程度，在误差值持续存在的情况下逐渐加大控制输出的幅度，使被控对象逐渐趋近期望的目标状态。

微分控制D主要是针对误差值的变化速度，当偏差值增加或减小的速率较快时，将适当增大或减小控制输出量的幅度，以加快误差的消除速度。

综上所述，PID控制器的优点在于能够快速消除误差，避免超调和欠调，稳定性强，且对于被控对象的性质要求不高。

因此，PID控制器成为了温度控制系统设计的主要控制器之一。

二、温度传感器的选取温度控制系统的核心是温度控制器，其中最关键的部分是温度传感器。

良好的温度传感器应具有温度响应时间短、测量范围广、精度高等特点。

其中最常用的温度传感器是热电偶和热电阻。

热电偶是一种基于热电效应的温度测量传感器，它是利用不同材料所产生的热电动势的差别测量温度。

热电偶具有灵敏度高、阻抗小、动态响应快等特点，但受到热电对、交流电干扰等因素影响较大，测量过程中容易出现漂移现象。

热电阻是一种利用金属或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度的传感器。

热电阻具有较高的精度、长期稳定性好的特点，但响应迟缓，对于超出其量程的高温不可用。

基于单片机的PID恒温控制系统设计1. 引言恒温控制系统在现代工业生产中起着至关重要的作用，它能够确保生产过程中的温度稳定，从而保证产品质量和生产效率。

而PID控制器作为一种常用的控制器，具有简单易实现、稳定可靠等优点，被广泛应用于恒温控制系统中。

本文基于单片机的PID恒温控制系统设计，旨在研究和实现一种高效、精确的恒温控制方案。

2. 系统设计原理2.1 PID控制原理PID控制器是由比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）组成的。

比例项根据当前误差与设定值之间的差距来调整输出；积分项根据误差累积来调整输出；微分项根据误差变化率来调整输出。

PID控制器通过不断调整输出值与设定值之间的差距，使得系统能够快速、稳定地达到设定值。

2.2 单片机原理单片机是一种高度集成化、功能强大的微处理器芯片。

它具有处理能力强、可编程性好等特点，在工业控制领域得到广泛应用。

单片机可以通过输入输出端口与外部设备进行信息交互，通过控制算法调整输出信号，实现对恒温控制系统的精确控制。

3. 系统硬件设计3.1 传感器恒温控制系统中的传感器用于实时监测温度值，并将其转化为电信号输入给单片机。

常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻等。

本设计中选择热敏电阻作为温度传感器。

3.2 控制器本设计中选择常用的STC89C52单片机作为控制器，它具有丰富的外设接口和高性能的处理能力，能够满足恒温控制系统的需求。

3.3 作动器作动器是恒温控制系统中负责调节环境参数（如加热、冷却等）以实现恒温目标的设备。

本设计中选择继电器作为作动器，它可以根据单片机输出信号来切换加热和冷却设备。

4. 系统软件设计4.1 温度采集与处理单片机通过模拟输入端口采集到来自传感器的模拟信号，然后通过模数转换器将其转化为数字信号。

接下来，通过算法对采集到的温度值进行处理，得到误差值。

4.2 PID算法实现PID算法的实现是整个恒温控制系统的核心。

根据采集到的误差值，通过比例、积分和微分三个参数来调整输出信号。

www�ele169�com | 31智能应用1.什么是PIDPID 即portID，通常指的是在生成树协议STP 中，如果在端口位置处所收到的BID 同path cost 相同，就需要通过比较PID 来进行阻塞端口的选择。

在现代化工厂生产及工程控制中，PID 主要是由8位端口的优先激加端口构成，端口号占据低位，默认优先级为128。

在工业自动化领域发展中，PID 控制水平是一项重要的参照标准指标，PID 控制以及相应的控制器，智能 PID 仪表产品有很多，而且这些PID 产品都在现代化工业工程项目中的得到了非常广泛的应用，一些公司创新开发了拥有PID参数自我调整和整定功能的智能调节器。

图1 PID 参数控制器如图1所示，PID 参数控制器拥有自动调整功能，可以开展智能化调整以及通过自校正、自适应算法来实现，充分利用PID 参数控制的方式来完成对工业化生产环节中的压力控制、温度调节、流量控制以及液位控制等作业，从而可以实现具有PID 参数控制功能的可编程控制器PLC 控制调节，完成对PC 系统的自动化操作与控制。

2.电热炉温度智能控制系统的工作原理基于PID 基础上设计而成的电热炉，主要被应用在我国工业自动化生产中，对工业产品的有效加热与烘干，一般在实际加热的时候，会使用封闭式的方式进行工业产品的工艺加热，而对电热炉文温度的自动控制与调控，需要使用PID 参数控制器来完成，从而完成对电热炉温度系统的有效控制。

为了能够满足电热炉温度控制系统的升温要求，首先需要对单片机进行科学选择，可以美国ATM 公司生产的AT89C52型号的单片机，AT89C52型号的单片机能够和51系列的单片机进行兼容与合并，从而满足C 语言可编程序控制软件的PID 控制啊要求，提高电热炉的整体温度控制水平，同时也可以提高温度控制系统的运行速度，保证系统运行的稳定性。

在真正的温度测量过程中，需要考虑测量温度的准确性以及温度测量的可靠性，一般可以采用四路采样的电路形式展开检测，也就是对四路采样中不同的点展开检测，然后计算得出四个测量点的平均温度值，平均值就是温度测量的结果，针对单片机的最小化优化系统设计，就是要对控制系统的内部存储水平进行拓展。

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。

温度控制pid 过控课程设计摘要人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑温度对自身系统的影响，温度是与人类生产生活密切相关的一个物理量，由此便产生了各种各样的温度测量方法。

根据测温精度和范围的不同，可选用不同的测温方式。

目前常常采用模拟集成温度传感器，该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

此种传感器的特点是，功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

然而在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，这种以人工的方式直接操作设置仪表很不现实，采用有线数据通信的方式也会受很多环境、质量、功能等方面的限制，在数据记录上也还要靠人工抄写，不能形成自动控制的系统。

温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

随着单片机技术的日益成熟，单片机在温度控制上的应用也日趋广泛。

本文采用STC89C52单片机采用积分分离式PID算法和带死区的PID算法两种控制方式，并通过对试验结果的比较，发现对控制精度较高的系统和响应速度较慢的系统带死区的PID算法确实不大实用，而前者在应一定程度上若再辅以微分先行则基本上能满足系统要求。

关键字：STC89C52单片机，PID算法，积分分离式，微分先行。

AbstractMan's living environment, the temperature plays a very important role, can be said that almost 80% of the industrial sector had to take into account the effects of temperature on their systems, temperature is closely related to human production and life of a physical quantity, thus given rise to a wide range of temperature measurement method. According to the different temperature measurement accuracy and scope may make use of the temperature in different ways. There is often analog integrated temperature sensor, the sensor is made using silicon semiconductorintegrated process, so also known as monolithic integration of silicon sensors or temperature sensors. Such sensors are characterized by single function (only measured temperature), temperature measurement error is small, low prices, fast response, transmission distance, small size, micro-power consumption, suitable for remote temperature measurement, temperature control, no non-linear calibration, the external circuit is simple. However, in many occasions industrial applications, the environment is very bad, this way of direct manipulation to artificially set the instrument is very practical, using wireline data communications, the way will be subject to many environmental, quality, functionality and other aspects, in the data record is also still rely on manual transcription, do not create automatic control systems.Temperature control is often encountered in the process of industrial production process control, and some process to control the temperature effect on their direct impact on the quality of products, has designed a more ideal temperature control system is very valuable.With SCM technology has become more sophisticated, single-chip temperature controlapplications are becoming increasingly widespread. In this paper, STC89C52 separate microcontroller with integral PID algorithm and the dead-zone of the PID algorithm two kinds of control mode, and through comparison of test results and found that the control system, high precision and response speed of a slower system with dead-zone of the PID algorithm is not really practical, but the former should be supplemented with a certain degree Ruozai first differential isgenerally adequate to meet system requirements.Keywords: STC89C52 microcontroller, PID algorithm, split points, differential first.目录一、方案设计总体方案选择 (3)方案一1带死区的PID算法简介 (5)2算法程序流程图 (7)3软件设计 (8)4硬件设计 (9)方案二1积分分离式PID算法简介 (14)2算法程序流程图 (15)3软件设计 (15)4硬件设计 (15)二、总结与展望1设计总结 (15)2改进方向 (16)三、附录1主程序 (17)2参考资料…………………………………………………………………正文一、方案选择总体方案选择：电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。

PID 控制在温度控制系统中的应用研究摘要PID 控制是一种常用的控制方式，在温度控制系统中得到了广泛的应用。

本文介绍了PID 控制的原理和实现方法，分析了PID 控制的优势与不足，并探讨了PID 控制在温度控制系统中的应用。

实验结果表明，PID 控制可以在短时间内将温度稳定在设定值附近，具有较高的控制精度和响应速度。

关键词：PID 控制；温度控制系统；控制精度；响应速度1.引言在工业生产、科学实验和生活中，温度控制是一项非常重要的控制任务。

温度控制可以使工业产品、科学实验和生活用品保持稳定的温度，达到保质保量的目的。

温度控制系统根据温度的变化，通过控制加热或冷却设备，使温度保持在设定值附近。

PID 控制是温度控制系统中一种常用的控制方式，可以实现温度的精确控制，具有广泛的应用。

2.PID 控制原理PID 控制是传统控制中最常用的一种控制方式，它基于系统的误差、误差变化率和误差积分值进行控制。

PID 控制的基本原理可以表示为下式：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*de(t)/dt其中，u(t)表示控制器的输出值，Kp、Ki 和Kd 是分别控制误差、误差积分和误差变化率的控制系数，e(t)是误差信号，de(t)/dt 是误差信号的变化率。

具体来说，Kp 决定控制器对误差的纠正力度，Ki 决定控制器对误差积分的纠正力度，Kd 决定控制器对误差变化率的纠正力度。

PID 控制器使用误差的当前值、时间累积值和变化率的信息进行控制，可以实现快速响应和平稳控制。

3.PID 控制实现方法PID 控制器可以采用硬件和软件两种实现方法。

硬件方式的实现通常使用模拟电路或微控制器等控制芯片。

软件方式的实现通常使用计算机软件进行控制。

下面简要介绍两种实现方法的特点。

3.1硬件实现方法硬件方式的实现方法通常具有较高的实时性和可靠性，适用于对控制精度要求较高的场合。

硬件PID 控制器通常由比较器、积分器和微分器等基本运算电路组成。

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。

技术Special TechnologyI G I T C W 专题74DIGITCW2020.080 引言PID 算法是一种采样控制算法，通过对控制量的计算得出准确可行的计算机控制语言，由于该算法具有计算结果进准度高，计算过程中不需要建立数学模型，应用起来简单快捷，被广泛应用到各个领域中。

温室内温湿度智能控制系统可用于农作物生长环境的实时监测，根据控制算法的设置，为温室制造出最适合农作物生长的温湿度环境。

传统温室内温湿度控制系统由于控制精准度低、控制不稳定等问题，已无法满足植物养殖的需求[1]。

所以运用PID 算法设计温室内温湿度智能控制系统，提高系统对温室温湿度控制的精准度。

1 温室内温湿度智能控制系统设计1.1 系统硬件设计系统的硬件结构设计由微处理器、传感器以及电源电路等设备构成。

微处理器是系统的控制板块，同时也是系统的核心部分，该设备是负责执行系统的控制指令[2]。

为了保证系统对温室温湿度智能高效控制功能，此次选用14位SLZ 系列单片机SLZ2016-558微处理器，该设备采用先进的PPC 结构，绝大多数系统控制指令可以在15秒钟内完成，具有较高的运行速度，该设备具有内外多种中断工作模式，有利于系统中断程序的设计和低电压检测功能的实现[3]。

由于该微处理器具有低功耗特点，增加了系统的工作时间，在设备安装时，设备工作电压要控制在2.6~4.3V 范围内，保证微处理器平稳顺利运行。

硬件设计上选用了温度和湿度两种传感器。

在温室内外各安装一套温湿度传感器，并将传感器的传输方式设置为模拟量传输，其具体性能指标设置为：温度传感器型号为TL-W ，测量范围0~60℃，输出为Rs600，误差为0.01；湿度传感器型号为TL-N ，测量范围0~95%RH ，输出为Rs500，误差为0.01。

为了保证电源电压稳定，系统在运行时一般采用4.5V 电压供电，并且分别在系统输入端口和输出端口安装经线性稳压电源LMIII9GT-3.0V 和LMIII9GT-1.5V ，将系统的供电电压降低到3.0V 和1.5V 。

基于MATLAB的温度控制系统的PID控制器设计摘要本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器PID控制是迄今为止最通用的控制方法大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制PID控制器亦称调节器及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器至今在全世界过程控制中用的84仍是纯PID调节器若改进型包含在内则超过90 在PID控制器的设计中参数整定是最为重要的随着计算机技术的迅速发展对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法设计一个温控系统的PID控制器并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形关键词 PID参数整定 PID控制器 MATLAB仿真冷却机AbstractThis paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller Pid control is the most common control method up until now the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation Pid controller claim regulator also and its second generation so become the most common controllers in the industry process control so far about 84 of the controller being used is the pure pid controller itll exceed 90 if the second generation included Pid parameter setting is most important in pid controller designing and with the rapid development of the computer technology it mostly recurs to some advanced software for example mat lab simulation software widely used now this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completedKeywords PID parameter setting PID controller MATLAB simulationcooling machine摘要Ibstract II第一章绪论 1课题来源及PID控制简介 1com 课题的来源和意义 1com PID控制简介1国内外研究现状及MATLAB简介 3二章控制系统及PID调节 5控制系统构成 5PID控制 5com积分微分 5com控制7三章系统辨识9系统辨识9系统特性图10系统辨识方法11PID最佳调整法与系统仿真1441 PID参数整定法概述14针对无转移函数的PID调整法15comay feedback调整法15com Relay feedback 在计算机做仿真15 com整法19com 在线调整法在计算机做仿真20针对有转移函数的PID调整方法23 com识法24com法及根轨迹法27五章油冷却机系统的PID控制器设计28 油冷却机系统28com机 28com转换器29com 控制组件30油冷却机系统之系统辨识31油冷却机系统的PID参数整定3340致谢41参考文献42第一章绪论11 课题来源及PID控制简介com 课题的来源和意义任何闭环的控制系统都有它固有的特性可以有很多种数学形式来描述它如微分方程传递函数状态空间方程等但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果比如快速性稳定性准确性等为了达到最佳的控制效果我们在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性使其达到理想的控制效果com PID控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念反馈理论的要素包括三个部分测量比较和执行测量关心的变量与期望值相比较用这个误差纠正调节控制系统的响应这个理论和应用自动控制的关键是做出正确的测量和比较后如何才能更好地纠正系统PID 比例 - 积分 - 微分控制器作为最早实用化的控制器已有 50多年历史现在仍然是应用最广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂使用中不需精确的系统模型等先决条件因而成为应用最为广泛的控制器PID 控制器由比例单元 P 积分单元 I 和微分单元 D 组成其输入 e t 与输出 u t 的关系为公式1-1公式1-1 公式1-2 比例调节作用是按比例反应系统的偏差系统一旦出现了偏差比例调节立即产生调节作用用以减少偏差比例作用大可以加快调节减少误差但是过大的比例使系统的稳定性下降甚至造成系统的不稳定积分调节作用是使系统消除稳态误差提高无差度因为有误差积分调节就进行直至无差积分调节停止积分调节输出一个常值积分作用的强弱取决与积分时间常数TiTi越小积分作用就越强反之Ti大则积分作用弱加入积分调节可使系统稳定性下降动态响应变慢积分作用常与另两种调节规律结合组成PI调节器或PID调节器微分调节作用微分作用反映系统偏差信号的变化率具有预见性能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用在偏差还没有形成之前已被微分调节作用消除因此可以改善系统的动态性能在微分时间选择合适情况下可以减少超调减少调节时间微分作用对噪声干扰有放大作用因此过强的加微分调节对系统抗干扰不利此外微分反应的是变化率而当输入没有变化时微分作用输出为零微分作用不能单独使用需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器PID控制器由于用途广泛使用灵活已有系列化产品使用中只需设定三个参数 Kp Ki 和 Kd 即可在很多情况下并不一定需要全部三个单元可以取其中的一到两个单元但比例控制单元是必不可少的首先PID应用范围广虽然很多控制过程是非线性或时变的但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统这样PID就可控制了其次PID参数较易整定也就是PID参数KpKi和Kd可以根据过程的动态特性及时整定如果过程的动态特性变化例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化 PID 参数就可以重新整定第三PID控制器在实践中也不断的得到改进下面两个改进的例子在工厂总是能看到许多回路都处于手动状态原因是很难让过程在自动模式下平稳工作由于这些不足采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量安全产量和能源浪费等问题的困扰PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的现在自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好但它们仍存在一些问题需要解决如果自整定要以模型为基础为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的闭环工作时要求在过程中插入一个测试信号这个方法会引起扰动所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好如果自整定是基于控制律的经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来因此受到干扰的影响控制器会产生超调产生一个不必要的自适应转换另外由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法参数整定可靠与否存在很多问题因此许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数但仍不可否认 PID 也有其固有的缺点PID 在控制非线性时变耦合及参数和结构不确定的复杂过程时工作地不是太好最重要的是如果 PID 控制器不能控制复杂过程无论怎么调参数都没用虽然有这些缺点PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器12 国内外研究现状及MATLAB简介PID控制中最重要的是对其参数的控制所以当今国内外PID控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定根据发展阶段的划分可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法按照被控对象个数来划分可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法前者包括现有大多数整定方法后者是最近研究的热点及难点按控制量的组合形式来划分可分为线性PID参数整定方法及非线性PID 参数整定方法前者用于经典PID调节器后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器Astrom在1988年美国控制会议ACC上作的《面向智能控制》〔〕自整定和自适应为智能PID控制的发展奠定了基础他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化在文〔〕中继续阐述了这种思想PI或PID控制即自整定调节器应具有推理能力自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究变得日益重要目前在众多的整定方法中主要有两种方法在实际工业过程中应用较好一种是由福克斯波罗Foxboro公司推出的基于模式识别的参数整定方法基于规则另一种是基于继电反馈的参数整定方法基于模型前者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及其分散控制系统IA Series的PIDE功能块其原理基于Bristol在模式识别方面的早期工作〔〕这些技术极大地简化了PID控制器的使用显着改进了它的性能它们被统称为自适应智能控制技术〔〕〔〕PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略有许多不同的方法以确定合适的控制器参数这些方法区分于复杂性灵活性及使用的过程知识量一个好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷负载干扰衰减测量噪声效果过程变化的鲁棒性设定值变化的响应所需模型计算要求等我们需要简单直观易用的方法它们需要较少的信息并能够给出合适的性能我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量但能给出较好性能的较复杂的方法从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点〔〕PID参数整定方法使其在初始化抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定②对于多入多出被控对象需要研究针对具有显着耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法进一步完善分散继电反馈方法尽可能减少所需先验信息量使其易于在线整定〔〕PID控制技术有待进一步研究将自适应自整定和增益计划设定有机结合使其具有自动诊断功能结合专家经验知识直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进将预测控制模糊控制和PID控制相结合进一步提高控制系统性能都是智能PID控制发展的极有前途的方向〔〕Matrix Laboratory 缩写为Mat lab 软件包是一种功能强效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包其中包括一般数值分析矩阵运算数字信号处理建模和系统控制和优化等应用程序并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中在此环境下所解问题的Mat lab语言表述形式和其数学表达形式相同不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算同时提供了与其它高级语言的接口是科学研究和工程应用必备的工具目前在控制界图像信号处理生物医学工程等领域得到广泛的应用本论文设计中PID参数的整定用到的是Mat lab中的 SIMULINK它是一个强大的软件包在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作用 SIMULINK对设计好的系统进行仿真可以预知效果检验设计的正确性为设计人员提供参考其仿真结果是否可用取决于数学模型正确与否因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确〔〕PID调节21 控制系统构成对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统一般由控制器与控制对象组成控制方式可分为连续控制与反馈控制即一般所称开回路与闭回路控制连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响也就是说控制端与控制对象为单向作用这样的系统亦称开回路系统反馈控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较求其偏差量利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致反馈控制系统方块图一般如图2-1所示图2-1反馈控制系统方块图22 PID控制将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较用输出信号源 2-10v或4-20mA 去控制最终控制组件在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制简称PID控制又称PID调节PID控制器问世至今已有近60年的历史了它以其结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它设计技术难以使用系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定这时应用PID控制技术最为方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候便最适合用PID控制技术com 比例积分微分比例图2-2 比例电路公式2-1积分器图2-3 积分电路公式2-2图2-4微分电路微分器式2-3实际中也有PI和PD控制器PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量控制器输出和控制器输入误差之间的关系在时域中如公式2-4和2-5u t Kp e t Td 公式2-4U s ]E s 公式2-5公式中U s 和E s 分别为u t 和e t 的拉氏变换其中分别为控制器的比例积分微分系数〔〕com ＰＩＤP控制比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-state error 积分I控制在积分控制中控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统System with Steady-state Error为了消除稳态误差在控制器中必须引入积分项积分项对误差取关于时间的积分随着时间的增加积分项会增大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而加大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零因此比例积分 PI 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差微分D控制在微分控制中控制器的输出与输入误差讯号的微分即误差的变化率成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性的组件环节和或有滞后 delay 的组件使力图克服误差的作用其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些超前即在误差接近零时克服误差的作用就应该是零这就是说在控制器中仅引入比例项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值而目前需要增加的是微分项它能预测误差变化的趋势这样具有比例微分的控制器就能够提前使克服误差的控制作用等于零甚至为负值从而避免了被控量的严重地冲过头所以对有较大惯性和或滞后的被控对象比例微分 PD 的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性〔〕31 系统辨识1 所谓系统辨识即是在不知道系统转移函数时根据系统特性辨识出来2 若被控对象的数学模式相当线性 linear 且各项参数都可知道则可用控制理论来设计PID控制器的系数大小但实际的被控对象往往是非线性系统且系统复杂难以精确地用数学式表达所以工业上设计PID控制器时常常使用实验方法而较少用理论来设计调整PID控制器的方法中最有名的是Ziegler-Nichols所提出的二个调整法则这个调整法测是基于带有延迟的一阶传递函数模型提出的这种对象模型可以表示为公式3-1在实际的过程控制系统中有大量的对象模型可以近似的由这样的一阶模型来表示如果不能物理的建立起系统的模型我们还可以由实验提取相应的模型参数[5]3 将大小为1的阶跃信号加到被控对象如图3-1所示图3-1 将阶跃信号加到被控对象对大多数的被控对象若输入为阶跃信号则其输出c t 大多为S状曲线如下图3-2所示这个S状曲线称之为过程反应曲线process reaction curve 图3-2被控对象的阶跃响应图4 系统转移函数空调方面图3-3空调系统示意图图3-4 空调系统方块图由图3-3及图3-4可得知此系统的转移函数推导如下公式3-232 系统特性图1 系统为制热使用最大信号去控制系统直到稳定之后也就是热到达无法再上升时此时系统特性就会出现如下图3-5所示图3-5 系统制热的特性图2 系统为制冷使用最大信号去控制系统直到稳定之后也就是冷到达无法再下降时此时系统特性就会出现如下图3-6所示图3-6 系统制冷的特性图33 系统辨识方法1一阶系统带有延迟特性图3-7 一阶系统带有延迟特性图一阶系统加一个传递来近似被控对象则其近似转移函数如公式3-3所示公式3-3其中KTL可由上图3-7求得K稳态时的大小T时间常数※注系统越大时间常数越大L延迟时间2 KTL的求法K如上图3-31所示K值相当于C t 在稳态时的大小T与L求T及L必须在S形状曲线划一条切线最大斜率画出切线之后T及L值可以直接从图上得知T及L值与C t 及切线的关系如上图3-7所示第四章PID最佳调整法与系统仿真41 PID参数整定法概述1PID参数整定方法1 Relay feedback 利用Relay 的 on-off 控制方式让系统产生一定的周期震荡再用Ziegler-Nichols调整法则去把PID值求出来2 在线调整实际系统中在PID控制器输出电流信号装设电流表调P值观察电流表是否有一定的周期在动作利用Ziegler-Nichols把PID求出来PID值求法与Relay feedback一样3 波德图跟轨迹在MATLAB里的Simulink绘出反馈方块图转移函数在用系统辨识方法辨识出来之后输入指令算出PID值[13]2PID调整方式图4-1 PID调整方式如上描述之PID调整方式分为有转函数和无转移函数一般系统因为不知转移函数所以调PID值都会从Relay feedback和在线调整去着手波德图及根轨迹则相反一定要有转移函数才能去求PID值那这技巧就在于要用系统辨识方法辨识出转移函数出来再用MATLAB里的Simulink画出反馈方块图调出PID值〔〕PID 值的方法有在线调整法Relay feedback波德图法根轨迹法前提是要由系统辨识出转移函数才可以使用波德图法和根轨迹法如下图4-2所示42 针对无转移函数的PID调整法在一般实际系统中往往因为过程系统转移函数要找出之后再利用系统仿真找出PID值但是也有不需要找出转移函数也可调出PID值的方法以下一一介绍com Relay feedback4-3所示将PID控制器改成Relay利用Relay的On-Off 控制将系统扰动可得到该系统于稳定状态时的震荡周期及临界增益Tu及Ｋu在用下表4-4 的Ziegler-Nichols第一个调整法则建议PID调整值即可算出该系统之ＫpTiTv之值Controller P 05Ｋu PI 045Ｋu 083Tu PID 06Ｋu 05Tu 0125Tu 〔〕com Relay feedback 在计算机做仿真Step 1 以MATL AB里Simulink绘出反馈方块如下图4-5所示图4-5 Simulink绘出的反馈方块图Step 2让Relay做On-Off动作将系统扰动On-Off动作将以±１做模拟如下图4-6所示图4-6Step 3即可得到系统的特性曲线如下图4-7所示图4-7 系统震荡特性曲线Step 4取得Tu及a带入公式3-1计算出Ｋu以下为Relay feedback临界震荡增益求法公式4-1ａ振幅大小ｄ电压值com 在线调整法图4－８在线调整法示意图在不知道系统转移函数的情况下以在线调整法直接于PID控制器做调整亦即PID控制器里的I值与D值设为零只调P值让系统产生震荡这时的P值为临界震荡增益Ｋv之后震荡周期也可算出来只不过在线调整实务上与系统仿真差别在于在实务上处理比较麻烦要在PID控制器输出信号端在串接电流表即可观察所调出的P值是否会震荡虽然比较上一个Relay feedback法是可免除拆装Relay 的麻烦但是就经验而言在实务上线上调整法效果会较Relay feedback 差在线调整法也可在计算机做出仿真调出PID值可是前提之下如果在计算机使用在线调整法还需把系统转移函数辨识出来但是实务上与在计算机仿真相同之处是PID 值求法还是需要用到调整法则Ziegler-Nichols经验法则去调整与Relay feedback的经验法则一样调出PID值com 在线调整法在计算机做仿真Step 1以MATLAB里的Simulink绘出反馈方块如下图4-9所示图4-9反馈方块图PID方块图内为图4-10 PID方块图Step 2将Td调为0Ti无限大让系统为P控制如下图4-11所示图4-11Step 3调整KP使系统震荡震荡时的KP即为临界增益KU震荡周期即为TV 使在线调整时不用看a求KU如下图4-12所示图4-12 系统震荡特性图Step 4再利用Ziegler-Nichols调整法则即可求出该系统之ＫpTiTd之值43 针对有转移函数的PID调整方法com系统反馈方块图在上述无转移函数PID调整法则有在线调整法与Relay feedback调整法之外也可利用系统辨识出的转移函数在计算机仿真求出PID值至于系统辨识转移函数技巧在第三章已叙述过接下来是要把辨识出来的转移函数用在反馈控制图之后应用系统辨识的经验公式Ziegler-Nichols第二个调整法求出PID值〔〕4-14所示controllerPPI33LPID2L 表4-14 Ziegler-Nichols第二个调整法则建议PID调整值〔〕为本专题将经验公式修正后之值※comL为延迟时间可com b※coma的解法可有以下2种解一如下图4-15中可先观察系统特性曲线图辨识出a值解二利用三角比例法推导求得图4-15利用三角比例法求出a值公式4-2用Ziegler-Nichols第一个调整法则求得之PID控制器加入系统后一般闭环系统阶跃响应最大超越的范围约在1060之间所以PID控制器加入系统后往往先根据Ziegler-Nichols第二个调整法则调整PID值然后再微调PID值至合乎规格为止com 波德图法及根轨迹法利用系统辨识出来的转移函数使用MATLAB软件去做系统仿真由于本设计中PID参数的整定主要是基于系统辨识及Ziegler-Nichols调整法则所以在此不用波德图法及根轨迹法第五章油冷却机系统的PID控制器设计51 油冷却机系统本论文设计以油冷却机温度控制系统为被控对象进行PID控制器的参数整定及其设计下面介绍一下油冷却机系统以及各个组成部分com 油冷却机图5-1 油冷却机实物图图5-2 油冷却机系统循环图油冷却机系统循环主要可分为冷媒循环系统以及油循环系统冷媒循环系统即为一般常见之制冷循环而油循环则是将油打出后经过负载加热再与冷媒循环的蒸发器作热交换再流回油槽做冷却用[16]com 感测与转换器图5-3 PT100实物图电阻式温度检测器 RTDResistance Temperature Detector －一种物质材料作成的电阻它会随温度的上升而改变电阻值如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数[6]PT100温度传感器是一种以白金 Pt 作成的电阻式温度检测器属于正电阻系数其电阻和温度变化的关系式如下R Ro 1αT其中α 000392Ro为100Ω 0℃的电阻值 T为摄氏温度Vo 255mA ×100 1000392T 0255T1000 电源是带噪声的因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件由于72V齐纳二极管的作用使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为65V靠5K可变电阻的调整可决定晶体管的射集极极电流而我们须将集极电流调为255mA使得量测电压V如箭头所示为0255T1000其后的非反向放大器输入电阻几乎无限大同时又放大10倍使得运算放大器输出为255T100 6V齐纳二极管的作用如72V齐纳二极管的作用我们利用它调出255V因此电压追随器的输出电压V1亦为255V其后差动放大器之输出为Vo 10 V2-V1 10 255T100-255 T10如果现在室温为25℃则输出电压为25V。