PID算法在溫度控制系統的應用

龍卓群 王天任 西安航空學院電子工程學院

1 系統設計方法

采用PID控制的方法是首先設定一個溫度定值，經過單片機處理轉換為跟溫度值相對應的數字信號，再通過數模轉換器使得數字信號轉換為相對應的模擬信號也就是與之對應的電壓值，這個電壓值跟溫度傳感器所得出的信號進行比較就會產生一定的誤差，經過相應的PID整定之后，就會得到一個根據誤差得來的控制量輸給電路單元，由此就構成了反饋系統。同時實際的電壓值就會由數模轉換器轉換為電壓信號控制相應的觸發電路，進行電路的通斷操作，這樣就可以通過調節加熱時間達到溫度可控的目的。

2 硬件電路設計

2.1 溫度測量電路

溫度測量是整個系統中的重要部分，它的品質好壞影響整個系統的穩定程度。傳統的溫度測量是采用傳感器來測量溫度，溫度傳感器選擇一個比如AD590，它的工作原理是把測量的溫度轉換成電信號，此時轉換的是模擬信號，然后再通過模數轉換轉換成數字信號，這樣單片機才能夠對采集到的信號進行處理，但是這種方法很復雜，干擾也很大，像外界雜波的干擾，使得系統穩定性很難保證。數字型溫度傳感器測量的溫度范圍是-55℃～+125℃。

2.2 加熱控制電路

加熱控制電路是在整個系統中對系統進行控制，控制的對象是提供熱源的電爐絲，控制方式是對電爐絲兩端的電壓進行通斷控制，以此方式來實現加熱功率的調整，這樣就能實現對整個系統溫度的控制。電爐絲兩端電壓通斷控制采用的是繼電器的方式，控制方式簡單易行，只要在兩端加上高低電平就能實現繼電器的通斷，此外還要在電路中加入三極管構成射極輸出器，這樣能將輸入的電流進行放大。

3 程序設計

3.1 PID原理

PID控制的原理說到底就是誤差控制，對系統的偏差信號進行比例、積分、微分計算，之后在計算的基礎上形成一定的控制律輸出：

為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數

PID控制器的參數該如何設置是整個控制系統的難點，這里我們是根據被控對象的特性來確定的。

3.2 計算程序

計算機處理的不是模擬信號而是數字信號，假定采樣周期為T，第n次的誤差為en，且en=r(n)=C(n)，輸出為u(n)，PID算法用的微

遞推表達式為：?un=un-un-1=Pp+Pi+Pd

其中：

PID控制在計算的時候需要的數據知識當前時刻的誤差en以及en-1和en-2，也就是之前的兩個時刻的誤差值。初始狀態設置為en-1=en-2=0，根據采樣來的數據以及設定好的參數Kp、Kd、Ki以及en、en-1和en-2計算?un。看輸出的控制量?un如何變化，可求出本次控制輸出為：un=un+1+?un=un-1+Pp+Pi+Pd。

4 結論

如何進行系統準確性的驗證就要采用仿真的方法進行，利用MATLAB的simulink子系統進行仿真。閉環調節用一個一階滯后環節來近似，這樣可得到PID的參數值，當Kp=0.03、Ki=0.029、Kd=0.008時，系統幾乎沒出現超調，調節時間為30秒左右，響應性也很可觀。

從仿真結果得知所設計的恒溫控制系統能夠滿足我們各項要求，結構上不復雜，實現起來容易，響應性快以及成本小，是我們期望設計的理想系統。