温控仪PID控制器的设计与参数自整定

2015-01-16佛山华芯微特科技有限公司梁先进

电子世界 2015年24期

佛山华芯微特科技有限公司梁先进

温控仪PID控制器的设计与参数自整定

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PID控制器作为最早实用化的控制器已经有近百年的历史，是经典控制理论在实际控制系统中的典型应用。PID控制算法具用简单、鲁棒性好、可靠性高而且不需要精准的系统模型等特点已经被广泛应用于各个控制领域中。本文简单描述了数字PID控制算法，PID参数的自整定方法，以及分析PID各个环节参数对系统的影响。此套控制算法已应用在实际的产品中，并实验结果表明，具有非常好的控制效果。

PID算法；自整定算法；临界比例度

1 引言

PID控制算法相比其它一些算法具有简单，高可靠性等，如今年随着科技的发展，依然在控制领域中发挥着举足轻重的作用。很多专家学者在PID控制器基础上经过不断的完善，演变出各种优秀的算法，如神经元PID控制器，模糊PID控制器，PID参数自适应控制器等。PID控制器的核心思想是偏差，偏差变化率以及偏差积累，此模型完胜传统的二位控温法。在工控温控市场上，公认最好的仪表有欧陆，欧姆龙，岛电，这些仪表都具有非常出色的性能，能很好地在线自整定，控温稳定性好。PID算法能适用大多数系统，只要PID参数合理，大部分控制系统都能达到很好的效果，但是最优的PID参数往往不容易得到。为了解决这个难题，从而引入了PID自整定原理。

2 PID控制器的设计

模拟控制系统设计：其中一个重要概念，过程控制是指对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。例如温度这个物理量，我们常见的家电产品有空调等，工控产品温控仪等。

模拟PID控制器的组成，如图1所示。

图1 模拟PID控制器

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

PID控制器的微分方程表达式：

PID调节器的传输函数：

在微机处理中，我们得到的采样信号，需要把模拟PID控制器的离散化后才便于单片机应用。

数字PID控制器：

3 PID控制器各环节的调节作用

比例环节：能很好地根据偏差信号e(t)的小大，而做出相应的控制动作，使系统向减小偏差的方向动作。如比例作用过小，会增长系统的调节时间，同时也会造成系统不稳定，倘若过大，调节加快，会快速减小偏差，但也会使系统振荡加剧，不稳定。

图2 比例带调节

积分环节：积分的引入，能很好地消除系统静差，提高稳定性。积分过强会使系统产生振荡，积分过弱，系统的稳定调节时间会加长。在稳定阶段，积分作用显得非常重要。

图3 积分调节

微分环节：反映偏差信号的变化趋势强弱，微分环节具有预见性，在系统偏差信号变化大快的时候，作用强，能在偏差变大前，提供一个修正信号，从而减小过程的调节时间，改善动态响应性能。

图4 微分调节

4 PID参数自整定

市面上的温控仪，品种众多，几乎每种表都具用这PID控制功能，但是只有相对中高端的温度控制器才具用参数自整定功能。普通的仪表参数设定需要具有专业知识和经验的人在工控现场进行整定，通过频繁的试验，找到最好的响应曲线，然后手动计算出来，PID参数的合适与否，关系到实际的控温效果。对于普通用户来说，手动试凑PID参数是件十分繁锁的事情。P I D参数自整定的原理控制精度高,可以避免人工整定过程中参数不准的问题 ,又可缩短整定时间,消除了仪器在室内和室外工作现场来回设定参数的麻烦。本仪表具有较为快速的PID参数自整定算法，其参数整定时间较一般的仪表节省1/3以上时时间。

Ziegler-Nichols整定方法有临界比例度法，大多数手动的整定，是靠该方法，主要的思想是，关闭微分和积分环节，采用纯比例的回路整定，能过不断地改变比例增益，使系统产生临界振荡，类似于正弦波，此时的临界增益记为Ku，临界振荡产生的周期记为Tu,然后根据以下公式计算PID各个环节的参数。P=0.6Ku,TI=0.5Tu,TD=0.125Tu，图6是在实际的温度控制系统中的整定曲线图。

图5 临界比例度法

Ziegler-Nichols继电器整定法，这种方法相比前面的临界比例度法，更适合应用在更多的工控产品中，在工业现场，且无需人工操作，仪表进入自整定，自动完成各项PID参数的整定，大大减少了人力和物力成本。其中Pu=4d/(π*(Ymax-Ymin))。

图6 自整定过程曲线图

Ziegler-Nichols继电器整定法是临界比例度法的一种特殊情况，本实验采用该方法，经过整定后，PID的参数达到优化，但是实际的使用中，参数往往需要一点点的微调。运行整定后那套参数，在本仪表上的实际效果如图9，未经参数整定运行效果如图10。通过两图对比，整定后的参数控制效果明显优于未经整定的参数。