基于PID的溫度控制系統研究與應用

班小強

摘 要：PID控制是自動控制中常見的方法，在調節過程中可以解決系統的穩定性、快速性以及準確性，PID 參數的調整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此設置要合理。PID控制方式有許多種，使用PLC的PID指令完成的這種方式即簡單又方便實用，是主要控制的方式。

關鍵詞：PID調節 閉環控制系統 偏差值 PID指令 模擬量輸入模塊

Research and Application of Temperature Control System Based on PID

Ban Xiaoqiang

Abstract：PID control is a common method in automatic control. It can solve the stability， rapidity and accuracy of the system during the adjustment process. The adjustment of PID parameters is very important， which mainly analyzes the PID algorithm and research， so the setting should be reasonable. There are many kinds of PID control methods. This method is simple， convenient and practical， and is the main control method.

Key words：PID adjustment， closed loop control system， deviation value， PID instruction， analog input module

1 PID控制介紹

什么是PID控制，其實PID控制就是在一個閉環控制系統中，使被控量能夠快速而準確的無限接近于控制目標的一種控制手段。其中P是比例環節，I是積分環節，D是微分環節，把這種比例積分微分控制的方式叫PID控制或者是PID調節。

2 PID控制原理

PID控制由于結構簡單、可靠性高、穩定性好以及調節方便而廣泛應用。PID控制是一個模擬量閉環控制系統。其控制原理圖如下：

PID控制的主要裝置是控制器，由比例環節、積分環節、微分環節三種規律控制組合在一起，其控制原理是把經過控制器的輸出量C（S）通過輸出接口﹑執行機構從而加到被控量上，而控制系統的被控量、經過傳感器、變送器等裝置也就是反饋環節（H（S））在通過輸入接口送到控制器中，使設定值與反饋值形成一個偏差值，只要有偏差值，控制就會存在，直到被控制與設定值相同，使得偏差值為零也就是達到平衡才停止控制。在搭建不同的控制系統時，采用的元器件是不同的，例如壓力控制系統要采用壓力傳感器，電加熱控制系統的傳感器是溫度傳感器等，采用傳感器﹑變送器﹑執行機構元件各不相同的，因此PID控制可以實現溫度、壓力、液位、速度、流量等模擬量的控制。隨著PLC的廣泛使用，PID控制功能實現是通過編制PID運算程序，使用可編程控制器（PLC）的軟件編程來實現，這也是工業控制的主要的控制方式。

3 PID控制參數調整

PID 參數的調整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此設置要合理。PID參數的調整應根據實際情況進行細調，比例環節P的控制是PID控制中最基本的控制，比例增益P越大，調節靈敏度越高，反應越快，但由于慣性的存在，即使調節結果達到最佳值狀態時，輸出也不能立即停止，導致超調，這樣就要反過來調整，再次超調，形成振蕩，也就是會有余差。比例系數P越大，控制能力越強，容易引起震蕩。所以要引入積分環節I，積分環節的作用是把經過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大（或減小），進而減緩其變化速度，控制精度得到提高，但是如果所加積分時間I太長，動態響應變慢，被控量難以迅速恢復。積分環節I的取值與控制系統的時間常數Ti有關，時間常數Ti較小時，積分時間應短些;時間常數Ti較大時，積分時間應長些。微分環節D與微分時間Td有關，是根據差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節動作，從而縮短了調節時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。控制系統的時間常數Td較小時，微分時間應短些;控制系統的時間常數T d較大時，微分時間應長一些。微分環節D對比例環節P起到補償作用，抑制超調，減少波動。

PID調整方式是在系統調試過程中最先確定的是比例系數P的值，如果被控量在目標值附近振蕩，就要加大積分時間Ti，還有振蕩，逐漸減小比例系數P。若被控量振蕩幅度很大，就要加大比例系數P。整個控制過程恢復恢復時間較長，就要減小積分時間I，或加大微分時間D。系統調試是一個反復的過程，空載調試、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。

4 舉例說明

控制系統中PID控制方式有許多種，有硬件方式的， PID電子電路，像DDZ型調節器，這種控制成本低，響應快，但是調節困難。有使用軟件方式的，使用PLC的PID指令完成的，這種方式簡單、方便、實用，為主要控制的方式。現舉例說明，如PID的溫度控制系統，設計一款智能烤爐，采用PID控制調節溫度，要求溫度輸出值為350度，溫度上下允許波動1度，在PID溫度控制中，控制系統中硬件結構上采用三菱FX1N PLC、三菱模擬量輸入模塊FX0N-3A模擬量輸入模塊、溫度變送器、固態繼電器、熱電偶、加熱管。軟件程序的實現方式采用三菱PLC的PID指令編制梯形——[PID S1.S2.S3.D]。S1.操作數是PID控制設定值存儲字單元;S2.操作數是PID控制測定值存儲字單元;S3.操作數是PID控制參數存儲字單元首址;D操作數是PID控制輸出。

通過FX0N-3A模擬量輸入模塊時刻采集溫度變送器的值，間接采集到熱電偶的溫度值，通過PID指令的運算結果時刻控制固態繼電器的導通時間，間接控制了加熱管的發熱量，從而實現了通過PID指令閉環控制溫度的過程。系統硬件搭建好后，針對系統內的變送器和熱電偶的參數對模擬量輸入模塊進行校準，采用電流輸入方式。經過反復試驗測試采樣幾組數據，選擇最佳的PID參數。

（1）采樣時間=200ms，P=6000，I=2000， D=10，測出實際溫度上偏差352，下偏差347，溫度的偏差為+2、-3。

（2）采樣時間=2000ms，P=1000，I=2000， D=10，測出實際溫度上偏差352，下偏差344，溫度的偏差為+2、-6。

（3）采樣時間=2000ms，P=6000，I=1000， D=10，測出實際溫度上偏差357，下偏差342，溫度的偏差為+7、-8。

（4）采樣時間=2000ms，P=6000，I=2000， D=0，測出實際溫度上偏差354，下偏差346，溫度的偏差為+4、-4。

（5）采樣時間=2000ms，P=6000，I=2000， D=10，測出實際溫度上偏差351，下偏差349，溫度的偏差為+1、-1。

經過測試得出最后一組數據控制的偏差比較小基本達到了PID對溫度的精準控制。在對5組數據分析時發現PID控制溫度時，減小采樣時間，PID輸出上下波動比較大，增加采樣時間PID輸出值變化比較平穩。增加比例系數，溫度變化時控制器可以快速的加以調整，減小比例系數時控制器調整起來比較慢。增加積分系數，PID輸出上下波動比較小，減小積分系數時PID輸出波動比較大。增加微分系數，特別是溫度在有下降的趨勢時，立刻就可以看到PID輸出增加，減小微分系數時隨著溫度的變化PID輸出值變化的很緩慢。通過測試發現即使溫度達到了設定值，PID運算輸出也是有一個輸出值，在這個輸出值附近上下微小波動，使得固態繼電器始終有一個小的輸出來維持當前的溫度，因為固態繼電器始終有輸出，所以加熱管一直在發紅，利用紅外輻射來烤制。

5 結語

隨著工業自動化的不斷發展，PID控制的應用也越來越廣泛，傳統的PID控制已經在更新發展，出現智能PID控制，在將來會有更好的控制器來實現智能控制的目的。

參考文獻：

[1]三菱電機.FX系列可編程控制器用戶手冊.2006.

[2]張康.擠壓機、加水、加酶、加料自動控制系統試驗研究[J]2010.04.15.