【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 況、加熱對(duì)象、傳熱介質(zhì)等各不相同，對(duì)它們進(jìn)行溫度控制的要求也不盡相同，但總的來說，控制儀表要實(shí)現(xiàn)的功能是按工藝要求使加熱對(duì)象的溫度按照既定的控制規(guī)律變化，做到準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定。對(duì)于一般的加熱過程，要求控制對(duì)象工作在某一設(shè)定值，這樣就需要設(shè)計(jì)溫度控制算法：首先使溫度迅速達(dá)到設(shè)定值，同時(shí)不產(chǎn)生超調(diào)或者是超調(diào)量盡可能小，一般超調(diào)量不應(yīng)大于設(shè)定值的 3%；然后要讓溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的附近，不同的工作情況對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求是不同的，通常穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)在177。3℃范圍內(nèi)；另外系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的抗干擾能力，在初始條件發(fā)生變化或者負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，控制能迅速起作用，使溫度恢復(fù)到設(shè)定工作點(diǎn)。在控制過程中有許多控制指標(biāo)，一個(gè)受控系統(tǒng)的被控過程一般是一個(gè)衰減振蕩的過渡過程，該過程可用曲線描述如下：給定值A(chǔ) B??‘Cty衡量系統(tǒng)控制質(zhì)量的品質(zhì)指標(biāo)主要有：1．最大偏差偏差是指被調(diào)參數(shù)與給定值之差。對(duì)于一個(gè)衰減振蕩過渡過程，其最大偏差是第一個(gè)波的峰值，見圖中用 A 表示。最大偏差表示系統(tǒng)瞬時(shí)偏離給定值的最大程度，若偏離越大，偏離時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)離開規(guī)定的平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，這是不希望出現(xiàn)的情況，一般要對(duì)最大偏差加以限制。2．超調(diào)量超調(diào)量是振蕩的第一個(gè)峰值與新穩(wěn)定值之差，用 B 表示。超調(diào)量也可以用來表征被調(diào)參數(shù)的偏離程度。3．靜差靜差是過渡過程終了時(shí)的殘余偏差，也就是被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之間的差值，在圖中用 C 表示。靜差可正可負(fù)，被調(diào)參數(shù)越接近給定值越好，亦即靜差絕對(duì)值越小越好。4．衰減比衰減比是前后兩個(gè)峰值的比，是表示衰減程度的指標(biāo)。圖中衰減比為 ，習(xí)慣上:39。B用 n：1 來表示。假若 n 只比 1 稍大一點(diǎn)，過渡過程的衰減程度很小，它與等幅振蕩過程接近，振蕩過程過于頻繁不夠安全，一般不采用；如果 n 很大則又太接近于非振蕩過程，通常也是不希望的。一般取 n=10～4 為宜。因?yàn)樗p比在 4：1 到 10:1 之間時(shí)，過渡過程開始階段的變化速度比較快，被調(diào)參數(shù)在受到干擾的影響和調(diào)節(jié)作用的影響后，能比較快地達(dá)到一個(gè)峰值，然后馬上下降，又較快地達(dá)到一個(gè)低峰值。5．穩(wěn)定時(shí)間從干擾開始作用起至被調(diào)參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止，這段時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。嚴(yán)格地講，被調(diào)參數(shù)完全達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際上，由于測(cè)量?jī)x表的靈敏度限制，當(dāng)被調(diào)參數(shù)靠近穩(wěn)定值時(shí)，指示值就基本不再改變了。所以有必要時(shí)，在可以測(cè)量的區(qū)域內(nèi)，在穩(wěn)定值上下規(guī)定一個(gè)小的范圍，當(dāng)指示值進(jìn)入這一范圍而不再越出時(shí)，就認(rèn)為被調(diào)參數(shù)已達(dá)到穩(wěn)定值。穩(wěn)定時(shí)間短，說明過渡過程進(jìn)行得比較迅速，這時(shí)即使干擾頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)，系統(tǒng)質(zhì)量就高。6．振蕩周期振蕩周期是指過渡過程中兩個(gè)同向波峰之間的間隔時(shí)間，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下，振蕩周期與穩(wěn)定時(shí)間成正比。一般希望周期短些為好。7．振蕩次數(shù)穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)被調(diào)參數(shù)振蕩的次數(shù)稱為振蕩次數(shù)。較為理想的過渡過程，振蕩兩次就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。8．上升時(shí)間從干擾變化時(shí)間起至第一個(gè)波峰時(shí)所需要的時(shí)間為振蕩的上升時(shí)間。上升時(shí)間以短些為宜。 課題研究的內(nèi)容本設(shè)計(jì)以 PID 溫度控制算法為研究對(duì)象，針對(duì)環(huán)境溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況通過 MATLAB 電路仿真實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度控制的研究。本文主要做了以下幾個(gè)方面工作：1. 對(duì)溫度控制技術(shù)的發(fā)展作簡(jiǎn)單的介紹；2. 介紹 PID 控制原理及參數(shù)整定方法；3. 介紹 PID 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、電路、組成及控制規(guī)律；4. PID 控制器的設(shè)計(jì)；5. 利用 MATLAB 仿真，并給出分析結(jié)果；6. PID 控制算法的改善。在本論文中，主要解決就1. 如何提高溫度控制精度；2. 怎樣解決溫度控制系統(tǒng)的校正問題；3. 提出具有先進(jìn)性的 PID 溫度控制設(shè)計(jì)方法；4. 設(shè)計(jì)具有適應(yīng)環(huán)境性控制溫度功能，重點(diǎn)部位利用 PID 算法控制溫度；5. PID 算法有何改進(jìn)；6. 整個(gè)系統(tǒng)全部技術(shù)領(lǐng)先，可靠性高，設(shè)計(jì)出的 PID 控制器使用簡(jiǎn)便，經(jīng)久耐用，配套性好，具有一定的自我防護(hù)能力。的問題一一探討。2 PID 控制原理及參數(shù)整定 PID 控制原理理論 自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生可以追溯到18世紀(jì)中葉英國(guó)的第一次技術(shù)革命，到19世紀(jì)科學(xué)界和工程界陸續(xù)發(fā)表了用控制理論來討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的文章，19世紀(jì)末控制理論中的經(jīng)典時(shí)域分析法以得到總結(jié)和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制理論也在不斷地發(fā)展。 在控制理論的發(fā)展過程中尤其 PID 控制算法控制理論得到了充分的發(fā)揮與應(yīng)用，PID控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線形組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。在常規(guī) PID 的應(yīng)用中，P、I、D—參數(shù)往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況或調(diào)試經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定的，通過調(diào)試實(shí)驗(yàn)改變參數(shù)以改變控制性能。PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確立性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想的控制效果；而實(shí)際在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī) PID 控制參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性較差。鑒于此情況，人們一直在研究 PID 參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。 PID 控制算法對(duì)溫度的影響在控制過程中，由于來自外界的各種干擾不斷產(chǎn)生，為了達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象保持恒定的目的，就必須不斷的進(jìn)行控制。如果干擾使得控制對(duì)象發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件會(huì)將這種變化采集后，經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器會(huì)按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去控制調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨于給定值，達(dá)到控制目的。 PID 控制算法的介紹1. 比例、積分、微分環(huán)節(jié)常規(guī)的 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如下圖 所示，系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。PID 控 制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 與實(shí)際輸出值 構(gòu)成控制偏差：??rt??ctetc??++__+__RiCf Rf_+ K圖 （a） 比例積分微分（PID）電路CiUi Uo微分（D）積分（I）比例（P ）被控對(duì)象P+++??et??rt?——??ct圖 （b） PID 控制系統(tǒng)原理框圖將偏差的比例（P ）、積分（ I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： （1）比例環(huán)節(jié)： 比例調(diào)節(jié)的方程為： （）??pyKet??其中， 為比例調(diào)節(jié)器的輸出量， 為比例系數(shù)， 為調(diào)節(jié)器的輸入或偏差值。 y ??et而 可表示成：??et ??0etVt??這里 為設(shè)定的目標(biāo)值， 為 時(shí)刻的采樣值。 0V比例調(diào)節(jié)器的輸出變化與輸入偏差成比例。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差 有關(guān)??et外，主要取決于比例系數(shù) 的大小。 越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，反之則越弱。但對(duì)于pKp大多數(shù)系統(tǒng)來說， 太大時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)自激振蕩。pK比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時(shí)，只要偏差 一出現(xiàn)，就能及時(shí)產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)??et作用。缺點(diǎn)是存在振蕩，而且如果單純采用比例調(diào)節(jié)，那么系統(tǒng)一定會(huì)存在靜差。這是因?yàn)楸壤{(diào)節(jié)的輸出正比于偏差值，若偏差為零，則輸出也為零，此時(shí)系統(tǒng)不可能達(dá)到平衡。比例系數(shù)越小，過渡過程越平穩(wěn)，但靜差越大。比例系數(shù)越大，則過渡過程曲線振蕩越厲害，當(dāng)比例系數(shù)過大時(shí)，甚至可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況。因此，對(duì)于擾動(dòng)較大，慣性也較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)，就難以兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的特性。 （2）積分環(huán)節(jié)： 積分調(diào)節(jié)的方程為： （）??1iyetdT??其中， 為積分時(shí)間。iT積分調(diào)節(jié)的主要特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器的輸出不僅取決于偏差信號(hào)的大小，而且還主要與偏差存在時(shí)間有關(guān)。只要有偏差存在，輸出就會(huì)隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，直到偏差消除后，調(diào)節(jié)器的輸出才不會(huì)變化。因此，積分作用能消除靜差，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)。但它的主要缺點(diǎn)是動(dòng)作緩慢，而且在偏差剛一出現(xiàn)時(shí)，積分作用很弱，不能及時(shí)克服擾動(dòng)的影響，使被調(diào)參數(shù)的動(dòng)態(tài) 偏差增大，調(diào)節(jié)過程變長(zhǎng)。 （3） 微分環(huán)節(jié)： 微分調(diào)節(jié)的方程如下： （）??detyT??其中， 為微分時(shí)間。dT微分調(diào)節(jié)的主要特點(diǎn)是輸出可以反映偏差的變化速度。因此，對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差，不管其數(shù)值有多大，也不會(huì)有微分作用輸出。所以微分作用不能消除靜差，而只能在偏差發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。 2. 基本PID控制算法 對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，常將比例、積分和微分三種方法進(jìn)行線性組合，構(gòu)成PID控制，以達(dá)到較好的控制效果。一般模擬系統(tǒng)的PID方程為： （）????1Pdi etKettT?????????其中， 為比例增益， 為積分時(shí)間， 為微分時(shí)間， 為控制量， 為測(cè)量值與給PKiTdP??et定值的偏差。為了便于算法的實(shí)現(xiàn)，需將上面的微分方程做如下處理： ????00ktjedeT????? 1tn?其中， 為采樣周期， 為采樣序號(hào)， 和 分別為第 和第 次采樣所T??en??1n?得的偏差。由此，式（）可寫成： （） ????????0 1ndPjiTnKeene???????????????為便于編程，可將（）式改寫成增量形式，即： ????1Pn???? ????212PidKenKenen?????????????（） 其中， 為積分系數(shù)， iPiT??為微分系數(shù)。 ddK?整理后可得： ??????012Pnqenqe????（）其中， ， 0dPiTK?????? ， 12dPq??? 。 2dPTqK?由上式（）可以看出，控制量的大小除了與偏差 、 和 有關(guān)外，??en1???2en還與比例增益 、積分時(shí)間 、微分時(shí)間 和采樣時(shí)間 有關(guān)。因此，如何確定這些參Pi dTT數(shù)是實(shí)現(xiàn)PID控制的關(guān)鍵所在。 PID 控制算法規(guī)律具有比例—積分—微分（PID）控制規(guī)律的控制器，稱 PID 調(diào)節(jié)器。這種組合具有三種控制規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為： （）??????0tpp piKdetmteteT?????相應(yīng)的傳遞函數(shù)是： （）??211piicpi iTsGss????????????? 1piKsT??????????Es??RsCs ??Ms圖 PID 控制器PID 控制器如圖 所示。 若 ，式（）還可以寫成： 4/1iT?? （）????121pciKsGsT????式中： 1412i iT???????????214i iT??????????由式（）可見，當(dāng)利用 PID 控制器進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，除了可使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)外，還將提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)。與 PI 控制器相比， PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)點(diǎn)外，還多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，從而在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性。因此在工業(yè)控制過程中，廣泛應(yīng)用 PID 控制器。PID 控制器各參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中最后確定。通常，應(yīng)使 I 部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使 D 部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 [6] PID 控制算法的參數(shù)整定對(duì)于一個(gè)被控系統(tǒng)一般要求過程超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短、沒有靜差，要達(dá)到這樣的一個(gè)效果，合理的選擇 PID 調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)是十分重要的。在 PID 調(diào)節(jié)器中，需要整定的參數(shù)有比例系數(shù) 、積分系數(shù) 和微分系數(shù) 。如PKi dK何合理的選擇采樣周期 T，也是影響系統(tǒng)性能的重要因素。 PID 參數(shù)的整定有很多方法，這里就湊試法做簡(jiǎn)單介紹。湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)。PID 各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響可概括如下：1. 增大比例系數(shù) 一般講加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過PK大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定變壞；2. 減小積分系數(shù) 由利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除i將隨之減慢；3. 增大微分系數(shù) 也有利于將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)dK對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。在了解 PID 各參數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì)之后，采用湊試法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，一般遵照如下步驟：1. 首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大并觀察響應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，知道得到反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)