佛山華芯微特科技有限公司 梁先進(jìn)

溫控儀PID控制器的設(shè)計(jì)與參數(shù)自整定

佛山華芯微特科技有限公司 梁先進(jìn)

PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已經(jīng)有近百年的歷史，是經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。PID控制算法具用簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高而且不需要精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型等特點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域中。本文簡(jiǎn)單描述了數(shù)字PID控制算法，PID參數(shù)的自整定方法，以及分析PID各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。此套控制算法已應(yīng)用在實(shí)際的產(chǎn)品中，并實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有非常好的控制效果。

PID算法；自整定算法；臨界比例度

1 引言

PID控制算法相比其它一些算法具有簡(jiǎn)單，高可靠性等，如今年隨著科技的發(fā)展，依然在控制領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用。很多專家學(xué)者在PID控制器基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)不斷的完善，演變出各種優(yōu)秀的算法，如神經(jīng)元PID控制器，模糊PID控制器，PID參數(shù)自適應(yīng)控制器等。PID控制器的核心思想是偏差，偏差變化率以及偏差積累，此模型完勝傳統(tǒng)的二位控溫法。在工控溫控市場(chǎng)上，公認(rèn)最好的儀表有歐陸，歐姆龍，島電，這些儀表都具有非常出色的性能，能很好地在線自整定，控溫穩(wěn)定性好。PID算法能適用大多數(shù)系統(tǒng)，只要PID參數(shù)合理，大部分控制系統(tǒng)都能達(dá)到很好的效果，但是最優(yōu)的PID參數(shù)往往不容易得到。為了解決這個(gè)難題，從而引入了PID自整定原理。

2 PID控制器的設(shè)計(jì)

模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：其中一個(gè)重要概念，過(guò)程控制是指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制。例如溫度這個(gè)物理量，我們常見(jiàn)的家電產(chǎn)品有空調(diào)等，工控產(chǎn)品溫控儀等。

模擬PID控制器的組成，如圖1所示。

圖1 模擬PID控制器

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

PID控制器的微分方程表達(dá)式：

PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)：

在微機(jī)處理中，我們得到的采樣信號(hào)，需要把模擬PID控制器的離散化后才便于單片機(jī)應(yīng)用。

數(shù)字PID控制器：

3 PID控制器各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用

比例環(huán)節(jié)：能很好地根據(jù)偏差信號(hào)e(t)的小大，而做出相應(yīng)的控制動(dòng)作，使系統(tǒng)向減小偏差的方向動(dòng)作。如比例作用過(guò)小，會(huì)增長(zhǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，倘若過(guò)大，調(diào)節(jié)加快，會(huì)快速減小偏差，但也會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，不穩(wěn)定。

圖2 比例帶調(diào)節(jié)

積分環(huán)節(jié)：積分的引入，能很好地消除系統(tǒng)靜差，提高穩(wěn)定性。積分過(guò)強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，積分過(guò)弱，系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)。在穩(wěn)定階段，積分作用顯得非常重要。

圖3 積分調(diào)節(jié)

微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)強(qiáng)弱，微分環(huán)節(jié)具有預(yù)見(jiàn)性，在系統(tǒng)偏差信號(hào)變化大快的時(shí)候，作用強(qiáng)，能在偏差變大前，提供一個(gè)修正信號(hào)，從而減小過(guò)程的調(diào)節(jié)時(shí)間，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖4 微分調(diào)節(jié)

4 PID參數(shù)自整定

市面上的溫控儀，品種眾多，幾乎每種表都具用這PID控制功能，但是只有相對(duì)中高端的溫度控制器才具用參數(shù)自整定功能。普通的儀表參數(shù)設(shè)定需要具有專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的人在工控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整定，通過(guò)頻繁的試驗(yàn)，找到最好的響應(yīng)曲線，然后手動(dòng)計(jì)算出來(lái)，PID參數(shù)的合適與否，關(guān)系到實(shí)際的控溫效果。對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，手動(dòng)試湊PID參數(shù)是件十分繁鎖的事情。P I D參數(shù)自整定的原理控制精度高,可以避免人工整定過(guò)程中參數(shù)不準(zhǔn)的問(wèn)題 ,又可縮短整定時(shí)間,消除了儀器在室內(nèi)和室外工作現(xiàn)場(chǎng)來(lái)回設(shè)定參數(shù)的麻煩。本儀表具有較為快速的PID參數(shù)自整定算法，其參數(shù)整定時(shí)間較一般的儀表節(jié)省1/3以上時(shí)時(shí)間。

Ziegler-Nichols整定方法有臨界比例度法，大多數(shù)手動(dòng)的整定，是靠該方法，主要的思想是，關(guān)閉微分和積分環(huán)節(jié)，采用純比例的回路整定，能過(guò)不斷地改變比例增益，使系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振蕩，類似于正弦波，此時(shí)的臨界增益記為Ku，臨界振蕩產(chǎn)生的周期記為Tu,然后根據(jù)以下公式計(jì)算PID各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)。P=0.6Ku,TI=0.5Tu,TD=0.125Tu，圖6是在實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)中的整定曲線圖。

圖5 臨界比例度法

Ziegler-Nichols繼電器整定法，這種方法相比前面的臨界比例度法，更適合應(yīng)用在更多的工控產(chǎn)品中，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，且無(wú)需人工操作，儀表進(jìn)入自整定，自動(dòng)完成各項(xiàng)PID參數(shù)的整定，大大減少了人力和物力成本。其中Pu=4d/(π*(Ymax-Ymin))。

圖6 自整定過(guò)程曲線圖

Ziegler-Nichols繼電器整定法是臨界比例度法的一種特殊情況，本實(shí)驗(yàn)采用該方法，經(jīng)過(guò)整定后，PID的參數(shù)達(dá)到優(yōu)化，但是實(shí)際的使用中，參數(shù)往往需要一點(diǎn)點(diǎn)的微調(diào)。運(yùn)行整定后那套參數(shù)，在本儀表上的實(shí)際效果如圖9，未經(jīng)參數(shù)整定運(yùn)行效果如圖10。通過(guò)兩圖對(duì)比，整定后的參數(shù)控制效果明顯優(yōu)于未經(jīng)整定的參數(shù)。

圖7 整定參數(shù)實(shí)際控制效果

圖8 未經(jīng)整定參數(shù)效果

5 結(jié)語(yǔ)

大多數(shù)工業(yè)過(guò)程都具有線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，傳統(tǒng)的PID很難實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣過(guò)程的精確控制，本儀表使用的PID控制器是經(jīng)過(guò)一些優(yōu)化，而且具有參數(shù)自整定的功能，在實(shí)際使用中，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不同的系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控溫精度高。

[1]Vance VanDoren．如何利用繼電器法實(shí)現(xiàn)PID回路自整定[J]．自動(dòng)化創(chuàng)新．2010．1:37-38．

[2]王先春,蔡劍華,胡惟文．P I D算法及參數(shù)自整定在溫控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J]．自動(dòng)化儀表．2007(2):16-18．

[3]第五章PID控制算法(PPT)[Z]．浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院．2012．5．

梁先進(jìn)，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于佛山華芯微特科技有限公司，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)及PID控制器設(shè)計(jì)技術(shù)。