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PID算法及参数自整定在温控系统中的实现

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书书书 !"#$%&& ’()#*’)+#, +,&)"(*%,)’)+#, -./0 12 ,.0 1 34567869 1::; !"#算法及参数自整定在温控系统中的实现 !"#$%"%&’(’)*& *+ ,!- .$/*0)’1" (&2 ,(0("%’%03 4%$+5’6&)&/ )& 7%"#%0(’60% 8*&’0*$ 493’%" 王先春$ 蔡剑华$ 胡惟文（湖南文理学院物理与电子科学系，常德$ %&’(((）） $ $ 修改稿收到日期：)((* + && + &*。第一作者王先春，男，&,-. 年生，)((% 年毕业于湖南大学，获硕士学位；现主要从事计算机控制和嵌入式系统的教学与科研工作。摘$ 要：对 !"#算法及参数自整定进行了研究，介绍了 !"#控制算法在温控系统中的应用，给出了以 /01234提出的极限环法为基础实现 !"#参数自整定的原理及软件实现。在此基础上提出了一种基于 !"#算法控制，且带 !"#参数自整定的智能温控系统的硬软件实现方法。实践证明这种方法是切实可行的。关键词：!54信号调制$ !"#控制$ 自整定$ 极限环法中图分类号：16-$ $ $ $ 文献标志码：7 ’5<=68>=：!"# 89:;<=>?@ 8AB =>C D8<8@E>EHA=A: 8HB=EBI 1?E 8DD9=J8>=;A ;F !"# J;A><;9 89:;<=>?@ =A >E@DE<8>H<;9 CKC>E@ =C =A><;BHJEB，8AB >?E D<=AJ=D9E 8AB C;F>L88>=;A ;F !"# D8<8@E>EHA=A: M8CEB ;A >?E 9=@=> JKJ9EC @E>?;B D<;D;CEB MK /01234 8?=C M8C=C，>?E ?8L88>=;A ;F 8A =A>E99=:EA> >E@DE<8>H<;9 CKC>E@ M8CEB ;A !"# J;A><;9 89:;<=>?@ 8AB ;FFE<=A: !"# D8<8@E>EHA=A: FHAJ>=;A =C BENE9;DEBI 1?E D<8J>=JE D<;NEC >?8> >?=C @E>?;B =C FE8C=M9EI ?49@.6A<：!54 C=:A89 @;BH98>=;A$ !"# J;A><;9$ 0E9FG>HA=A:$ 4E>?;B ;F 9=@=> JKJ9EC :$ 引言随着大量的应用研究，!"#作为一种基本的控制算法已经比较成熟，在控制领域得到了广泛的应用。目前，市场上流行的程序温控仪也大都采用 !"# 算法控制，但多数程序温控仪没有自整定能力，只能靠人工设定 !"# 参数，它需要有经验的技术人员根据被控对象的阶跃响应曲线，通过大量的试验和试凑的方法来确定控制对象的 !"# 参数。本文在给出 !"#控制算法及 !"#参数自整定原理的基础上，提出了一种智能温控系统的硬软件实现方法。温控系统采用 !"#算法控制，!"#参数自整定的原理控制精度高，且直接带有自整定 !"# 参数的功能，这样不仅可以避免人工整定过程中参数不准的问题，又可缩短整定时间，消除了仪器在室内和室外工作现场来回设定参数的麻烦。 BC !+D控制算法及其应用 B0 BC !+D控制算法 !"#作为一种基本的控制算法已经比较成熟，在控制领域得到了广泛的应用，其算式为： !（ "）# $ % &（ "）’ ( %! " ) # ( &（ "）’ * % ［&（ "）+ &（ " + &）］（&）式中：&（ "）为基本偏差，表示当前测量值与设定目标间的差；!&（ "）O &（ "）P &（ " + &）P &（ " + )）P⋯ P &（&）为累计偏差，这是每一次测量得到的偏差值的总和，这是代数和；&（ "）+ &（ " + &）为基本偏差的相对偏差，用本次的基本偏差减去上次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势；!（ "）为第 " 次的控制量输出值；!、 "、#分别为比例系数、积分常数和微分常数，可以采用参数自整定而得到［&］。 B0 1C !+D控制算法在温控系统中的应用对于加温的温度控制可以采用调节供电电压或在一定的时间循环周期内的供电时间比例来调节加温控制温度。本系统采用调节供电电压来实现，根据温度设定值与实际值之差的比例值、积分值、微分值来确定控制量的大小。调制 QQR 模块 !54 脉冲信号的占空比，整形为 ( S ’ T 的电压信号，以调节调功调压模块，使其输出电压由 ( S ))( T 之间随输入的大小呈线性变化，控制加热棒输出功率，从而实现控温过程。 1C !+D参数自整定算法原理及软件实现 !"#参数自整定算法很多，诸如 U + V 法、衰减曲 *& !+D算法及参数自整定在温控系统中的实现$ 王先春，等《自动化仪表》第 !" 卷第 ! 期# !$$%年 ! 月线法、专家系统法等，本设计是以 !"#$%& 提出的极限环法为基础，结合加热棒控制系统没有负的输入，温度一旦超调，只能依靠自然冷却达到设定工作温度点的特点，提出了对程序温控仪只增加少量程序就能增加 ’()参数自整定功能的做法［*］。 !& ’# 算法原理算法的原理如图 + 所示。图 +, 极限环法原理图 -./0 +, ’1.23.456 78 5.9.: 3;356< 96:=7> 当系统开关指向 + 时，系统进行 ’() 控制；指向 * 时，闭环系统产生等幅振荡，然后根据等幅振荡的振幅与周期得到一组 ’()参数［?］。对加热棒系统，选定一个温度，对过程施加： !（ "）# $, , %（ "）& @ @, , %（ "）"{ @ （*）式中：%（ "）为当前温度减设定温度的控制作用，总能得到低温控制阶段和高温控制阶段的时间 A温度的振荡曲线图［*］，如图 * 所示。图 *, 时间 A温度振荡曲线 -./0 *, #69461B:C16 3=B2/.2/ 3C1D6< E.:= :.96 从图 * 分析可知两个振荡都是不对称的振荡，从第二个波峰开始，振荡的周期大致相等；低温段：上升快、下降慢；高温段：上升慢、下降快，因此，每个加热棒必定存在一个能产生对称等幅振荡的温度点。研究产生等幅振荡的控制作用，就可以了解控制对象的特性。对过程施加的控制信号 !（ "），取一个周期进行 -7C1.61展开为［*］： !（ "）# ’@ * (!［’)37<（)*"）( +)<.2（)*"）］ ’) # * , # -,+ @ !（ "）37<（)*"）>" # $ ! . )<.2（*"+）； +) # * , # -,+ @ !（"）<.2（)*"）>" # $ ! . )［+ / 37<（*"+）］（?） , , 设系统开环传递函数为 0（ 1）F 2@% A !1 3（+ G ,4），系统稳定后，* F *50（ 6*5）F A + 3 25，由叠加原理得： %（ "）# 7（ "）/ 8（ "）# 9 / 2@$ . "+ , ( $ ! . 25 . * / *37<*"! + . <.2（*5" ( "）（H） , , 由于稳定后的温度曲线近似方程为：8 F + G ’<.2 （*" G #），所以，只要使： + F 9 A 2@ I $"+ , ，’ F $ ! I 25 I * A *37<*"! +。则得到 25 F $ ! I ’ * A *37<*"! + （J） !& !# 振幅和周期的估算找到曲线一周内的最低点 89.2及对应的时间 "+ 和最高点 89BK及对应的时间点 "*，最高点和最低点之差为 *’；对应的时间差为 , L *。其中： ’ F + 3 * I（89BK A 89.2）, , , F * I（ "* A "+）（M）根据 25 和 ,，得出 ’()参数［?］： : F @; M 25；< F @; J ,；= F @; +*J ,。 !& (# 软件设计在线整定 ’()参数时，对任一设定工作温度点，都规定一个内部设定温度点，内部设定温度点的选取应尽量靠近工作温度点，又使温度不超调。先读出设定值，根据设定值算出内部设定温度值，整个过程都实时采样温度，采样温度与内部设定温度比较，当采样得到的温度与时间的曲线，以内部设定温度点为对称线上下等幅振荡的时候，找出一个完整振荡周期内的最高点和最低点，并记录两点的时间差，由算法求出 ’()参数［?］。 (# 温控系统的硬件实现 (& ’# 系统工作原理用于检测温度的热电偶，其电压信号放大后，由单片机通过软件编程直接实现 !L ) 转化，与设定温度比较，按 ’()调节法和脉宽调功法，计算出该时刻的调功控制值，经光电隔离器输出合适的调功信号到调功调压模块，从而决定电热器加热的输出功率大小。此调功量一直持续到下一个调功周期送出新的调功量为止。 (& !# 系统硬件构成系统硬件构成如图 ? 所示。系统由 ’=.5.4< 公司最新上市的单片机 ’NOP’QO?* 控制，它集成了许多系统级的功能，可以满足多方面的性能要求。温度传感器采得的电压信号经放大处理后直接送到 Q’R 的模 S+ )*+算法及参数自整定在温控系统中的实现, 王先春，等 !"#$%&& ’()#*’)+#, +,&)"(*%,)’)+#, -./0 12 ,.0 1 34567869 1::; 图 !" 系统结构图 #$%& !" ’()*+(*), -. /0/(,1 拟比较功能模块，通过软件编程可直接实现 2 3 4 转化，不需要外加 2 3 4 转化芯片，把采得的温度信号转化为数字量，再与要控制的设定温度值比较，通过 564 算法的控制作用调制 778模块 59:脉冲信号的占空比，整形为 ; < = > 的电压信号，以调节调功调压模块控制加热棒输出功率，从而实现控温过程。整个温控过程都可编程，并由 ’56 模块发送到显示部分做到实时跟踪检测。控制键盘，通过查询方式与 758 通信。操作键盘可以自动完成系统的 564 控制、564 参数自整定、564参数手动设置等工作模式的控制。这些操作也可以通过串口由计算机或 4’5 芯片等上位机完成，并利用了芯片提供的 =?@ A$( BB5CD:，对自整定或手动设置的 564参数和设定的控制温度存储、记忆，每次设置完或开机都按最新得到的一组参数直接运行。整个控制和操作过程都体现了温控仪的智能化。 <= 系统软件设计温度控制系统的软件设计是在 5EFG57F!@ 单片机上，由单片机来控制。主控程序包括初始化、键盘显示管理及各子程序调用。温度信号的采集、数字滤波、铂电阻的非线性补偿、温度的显示、控制算法的调用、 564参数自整定算法等功能的实现由各子程序完成。数字滤波可采用均知法、中间值法和一阶惯性法等方法，目的是滤除干扰信号的影响。由于铂电阻的电阻值与其所受的温度并不完全是线性的，因而设计了非等距分段线性插值线性化程序来对铂电阻进行非线性补偿，得到了较为满意的效果，其误差低于 ;& ?H。 " " 温控系统软件还包括对温度控制系统的保护和快速加温的切换等。在测得温度未接近设定温度时，系统快速加温，接近时，调用 564 算法控制，以达到迅速稳定温度场的目的。温度一旦高于最高设定值，程序自动切断电源停机。若改变了工作环境，如从室内搬到了工作现场，可控制系统进行 564参数自整定，得到适合的参数值。软件除了设计数字滤波程序外，还设计了软件监视器等。软件流程如图 I 所示。图 I" 温控系统软件流程图 #$%& I" ’-.(JK), .L-J+MK)( -. (,1N,)K(*), +-O()-L /0/(,1 >= 结束语实践结果表明，本系统基于 564算法控制，测量灵敏度在 ;& ;? P，控制误差在 ;& ? P，有良好的稳定性。 564参数自整定功能，消除了在实验室和工作现场来回设定参数的麻烦，是一种较好的、实用的设计方案，在箱式或封闭较好的仪器设备里有很好的应用前景。参考文献 ?" 秦文虎& 程序温控仪中 564 参数自整定算法［ Q］& 自动化仪表， @;;;，@?（?）：?R S @I& @" 陶永华主编&新型 564控制及其应用［:］& 第 @ 版& 北京：机械工业出版社，@;;@：@@! S @RR& !" 马忠梅主编&单片机 7 语言 9$OT-J/ 环境编程宝典［:］& 北京：北京航空航天大学出版社， $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % % % % @;;!& ++’$ 1::; 问卷调查为了全面了解“网络通信与工业安全”技术发展现状与应用需求，第八届工业仪表与自动化学术会议（ 6627 @;;R）组委会拟在广大用户、科研设计院所和大专院校的科技工作者中组织一次问卷调查。您可以访问指定网站 JJJ& /$NK$& +-1在线填写，或邮寄、回传、B S 1K$L等至第八届工业仪表与自动化学术会议办公室。凡认真填写问卷者，均可获赠礼品一份，并有机会成为学术会议的 >65 听众、免费获得 @;;R 6627 论文集和功能安全入门手册各一本，成为与 6627 @;;R 同期举办的第十一届国际工业自动化与控制技术展览会（ 627）的 >65观众。 E? !+?算法及参数自整定在温控系统中的实现" 王先春，等

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