溫度控制與PID算法
溫度控制與PID算法
- 溫度控制的框圖


Ud=(t/T)* UAN=K* UAN
其中K= t/T,為一個(gè)周期T中,SSR觸發(fā)導(dǎo)通的比率,稱為負(fù)載電壓系數(shù)或是占空比,K的變化率在0-1之間。一般是周期T固定不便,調(diào)節(jié)t, 當(dāng)t在0-T的范圍內(nèi)變化時(shí),發(fā)熱管的電壓即在0-UAN之間變化,這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。下面將要描述的PID調(diào)節(jié)器的算式在這里的實(shí)質(zhì)即是運(yùn)算求出一個(gè)實(shí)時(shí)變化的,能夠保證加熱溫區(qū)在外界干擾的情況下仍能保持溫度在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化的合理的負(fù)載電壓系數(shù)K。


2.溫度控制的兩個(gè)階段
溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng),也就是說,當(dāng)給溫區(qū)開始加熱之后,并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升;同樣的,當(dāng)關(guān)閉加熱之后,溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的上升。另外,熱電偶對溫度的檢測,與實(shí)際的溫區(qū)溫度相比較,也存在一定的滯后效應(yīng)。
這給溫度的控制帶來了困難。因此,如果在溫度檢測值(PV)到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出,可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時(shí)間超出設(shè)定值,需要較長時(shí)間才能回到設(shè)定值;如果在溫度檢測值(PV)未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出,則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度(即加熱速度)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾,我們把溫度控制分為兩個(gè)階段。

- PID調(diào)節(jié)前階段
在這個(gè)階段,要么占空比K=0, SSR關(guān)閉;要么占空比K=100%, SSR全速輸出。PID調(diào)節(jié)器不起作用,僅由“加速速率”控制溫升快慢。
(2) PID調(diào)節(jié)階段
在這個(gè)階段,PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出,根據(jù)偏差值計(jì)算占空比(0-100%),保證偏差(EV)趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時(shí),也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。
- PID算法

M(t) PID回路的輸出,是時(shí)間的函數(shù)
Kc PID回路的比例增益
e PID回路的偏差(設(shè)定值(SV)與過程變量(PV)之差)
Minitial PID回路的靜態(tài)輸出值
為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)算式,連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式,才能用來計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下:


Mn 在第n 采樣時(shí)刻,PID回路的輸出計(jì)算值
SV PID 回路設(shè)定值
PVn 在第n 采樣時(shí)刻的過程變量值
PVn-1 在第n-1 采樣時(shí)刻的過程變量值
MX 積分前項(xiàng)值
Mintial PID回路的靜態(tài)輸出值
Kc PID回路的比例增益
KI 積分項(xiàng)的比例常數(shù) KI=Kc * Ts / Ti
Ts是離散化時(shí)的采樣時(shí)間間隔 Ti是積分時(shí)間參數(shù);
KD 微分項(xiàng)的比例常數(shù) KD=Kc * Td / Ts
Ts是離散化時(shí)的采樣時(shí)間間隔 Td是微分時(shí)間參數(shù);
從上面PID的算式,可以分析三個(gè)基本參數(shù)Kc, KI, KD在實(shí)際控制中的作用:
- 比例調(diào)節(jié)作用:比例項(xiàng)按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少偏差。但是過大的比例調(diào)節(jié),使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
- 積分調(diào)節(jié)作用:積分項(xiàng)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。只要有偏差,積分就進(jìn)行,直到無偏差時(shí),積分運(yùn)算才停止,積分調(diào)節(jié)項(xiàng)輸出一常數(shù)值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小,積分作用越強(qiáng)。積分控制可提高系統(tǒng)的無差度,但積分項(xiàng)輸出響應(yīng)緩慢,使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間增長。
- 微分調(diào)節(jié)作用:微分項(xiàng)反映系統(tǒng)過程變量的變化率((PVn-1-PVn)/ Ts),具有預(yù)見性,能預(yù)見變化的趨勢,因此,能產(chǎn)生超前的調(diào)節(jié)作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間參數(shù)Td選擇合適的情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分調(diào)節(jié)對干擾有放大效果,過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分項(xiàng)反映的是過程變量的變化率,而當(dāng)過程變量沒有變化時(shí),微分調(diào)節(jié)輸出為零。微分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID調(diào)節(jié)器。