溫控儀PID控制器的設計與參數自整定

佛山華芯微特科技有限公司 梁先進

溫控儀PID控制器的設計與參數自整定

佛山華芯微特科技有限公司 梁先進

PID控制器作為最早實用化的控制器已經有近百年的歷史，是經典控制理論在實際控制系統中的典型應用。PID控制算法具用簡單、魯棒性好、可靠性高而且不需要精準的系統模型等特點已經被廣泛應用于各個控制領域中。本文簡單描述了數字PID控制算法，PID參數的自整定方法，以及分析PID各個環節參數對系統的影響。此套控制算法已應用在實際的產品中，并實驗結果表明，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單，高可靠性等，如今年隨著科技的發展，依然在控制領域中發揮著舉足輕重的作用。很多專家學者在PID控制器基礎上經過不斷的完善，演變出各種優秀的算法，如神經元PID控制器，模糊PID控制器，PID參數自適應控制器等。PID控制器的核心思想是偏差，偏差變化率以及偏差積累，此模型完勝傳統的二位控溫法。在工控溫控市場上，公認最好的儀表有歐陸，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，控溫穩定性好。PID算法能適用大多數系統，只要PID參數合理，大部分控制系統都能達到很好的效果，但是最優的PID參數往往不容易得到。為了解決這個難題，從而引入了PID自整定原理。

2 PID控制器的設計

模擬控制系統設計：其中一個重要概念，過程控制是指對生產過程的某一或某些物理參數進行的自動控制。例如溫度這個物理量，我們常見的家電產品有空調等，工控產品溫控儀等。

模擬PID控制器的組成，如圖1所示。

圖1 模擬PID控制器

PID調節器是一種線性調節器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。

PID控制器的微分方程表達式：

PID調節器的傳輸函數：

在微機處理中，我們得到的采樣信號，需要把模擬PID控制器的離散化后才便于單片機應用。

數字PID控制器：

3 PID控制器各環節的調節作用

比例環節：能很好地根據偏差信號e(t)的小大，而做出相應的控制動作，使系統向減小偏差的方向動作。如比例作用過小，會增長系統的調節時間，同時也會造成系統不穩定，倘若過大，調節加快，會快速減小偏差，但也會使系統振蕩加劇，不穩定。

圖2 比例帶調節

積分環節：積分的引入，能很好地消除系統靜差，提高穩定性。積分過強會使系統產生振蕩，積分過弱，系統的穩定調節時間會加長。在穩定階段，積分作用顯得非常重要。

圖3 積分調節

微分環節：反映偏差信號的變化趨勢強弱，微分環節具有預見性，在系統偏差信號變化大快的時候，作用強，能在偏差變大前，提供一個修正信號，從而減小過程的調節時間，改善動態響應性能。

圖4 微分調節

4 PID參數自整定

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，但是只有相對中高端的溫度控制器才具用參數自整定功能。普通的儀表參數設定需要具有專業知識和經驗的人在工控現場進行整定，通過頻繁的試驗，找到最好的響應曲線，然后手動計算出來，PID參數的合適與否，關系到實際的控溫效果。對于普通用戶來說，手動試湊PID參數是件十分繁鎖的事情。P I D參數自整定的原理控制精度高,可以避免人工整定過程中參數不準的問題 ,又可縮短整定時間,消除了儀器在室內和室外工作現場來回設定參數的麻煩。本儀表具有較為快速的PID參數自整定算法，其參數整定時間較一般的儀表節省1/3以上時時間。

Ziegler-Nichols整定方法有臨界比例度法，大多數手動的整定，是靠該方法，主要的思想是，關閉微分和積分環節，采用純比例的回路整定，能過不斷地改變比例增益，使系統產生臨界振蕩，類似于正弦波，此時的臨界增益記為Ku，臨界振蕩產生的周期記為Tu,然后根據以下公式計算PID各個環節的參數。P=0.6Ku,TI=0.5Tu,TD=0.125Tu，圖6是在實際的溫度控制系統中的整定曲線圖。

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，更適合應用在更多的工控產品中，在工業現場，且無需人工操作，儀表進入自整定，自動完成各項PID參數的整定，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，本實驗采用該方法，經過整定后，PID的參數達到優化，但是實際的使用中，參數往往需要一點點的微調。運行整定后那套參數，在本儀表上的實際效果如圖9，未經參數整定運行效果如圖10。通過兩圖對比，整定后的參數控制效果明顯優于未經整定的參數。

圖7 整定參數實際控制效果

圖8 未經整定參數效果

5 結語

大多數工業過程都具有線性、參數時變性和模型不確定性，傳統的PID很難實現對這樣過程的精確控制，本儀表使用的PID控制器是經過一些優化，而且具有參數自整定的功能，在實際使用中，經過多次的實驗驗證，不同的系統適應性強，調節時間短，控溫精度高。

[1]Vance VanDoren．如何利用繼電器法實現PID回路自整定[J]．自動化創新．2010．1:37-38．

[2]王先春,蔡劍華,胡惟文．P I D算法及參數自整定在溫控系統中的實現[J]．自動化儀表．2007(2):16-18．

[3]第五章PID控制算法(PPT)[Z]．浙江工業大學之江學院．2012．5．

梁先進，大學本科，現供職于佛山華芯微特科技有限公司，主要研究方向：嵌入式系統新技術及PID控制器設計技術。