基于PID的温度控制系统研究与应用

班小强

摘 要：PID控制是自动控制中常见的方法，在调节过程中可以解决系统的稳定性、快速性以及准确性，PID 参数的调整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此设置要合理。PID控制方式有许多种，使用PLC的PID指令完成的这种方式即简单又方便实用，是主要控制的方式。

关键词：PID调节 闭环控制系统 偏差值 PID指令 模拟量输入模块

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控制介绍

什么是PID控制，其实PID控制就是在一个闭环控制系统中，使被控量能够快速而准确的无限接近于控制目标的一种控制手段。其中P是比例环节，I是积分环节，D是微分环节，把这种比例积分微分控制的方式叫PID控制或者是PID调节。

2 PID控制原理

PID控制由于结构简单、可靠性高、稳定性好以及调节方便而广泛应用。PID控制是一个模拟量闭环控制系统。其控制原理图如下：

PID控制的主要装置是控制器，由比例环节、积分环节、微分环节三种规律控制组合在一起，其控制原理是把经过控制器的输出量C（S）通过输出接口﹑执行机构从而加到被控量上，而控制系统的被控量、经过传感器、变送器等装置也就是反馈环节（H（S））在通过输入接口送到控制器中，使设定值与反馈值形成一个偏差值，只要有偏差值，控制就会存在，直到被控制与设定值相同，使得偏差值为零也就是达到平衡才停止控制。在搭建不同的控制系统时，采用的元器件是不同的，例如压力控制系统要采用压力传感器，电加热控制系统的传感器是温度传感器等，采用传感器﹑变送器﹑执行机构元件各不相同的，因此PID控制可以实现温度、压力、液位、速度、流量等模拟量的控制。随着PLC的广泛使用，PID控制功能实现是通过编制PID运算程序，使用可编程控制器（PLC）的软件编程来实现，这也是工业控制的主要的控制方式。

3 PID控制参数调整

PID 参数的调整非常重要，主要是分析PID算法和研究，因此设置要合理。PID参数的调整应根据实际情况进行细调，比例环节P的控制是PID控制中最基本的控制，比例增益P越大，调节灵敏度越高，反应越快，但由于惯性的存在，即使调节结果达到最佳值状态时，输出也不能立即停止，导致超调，这样就要反过来调整，再次超调，形成振荡，也就是会有余差。比例系数P越大，控制能力越强，容易引起震荡。所以要引入积分环节I，积分环节的作用是把经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），进而减缓其变化速度，控制精度得到提高，但是如果所加积分时间I太长，动态响应变慢，被控量难以迅速恢复。积分环节I的取值与控制系统的时间常数Ti有关，时间常数Ti较小时，积分时间应短些;时间常数Ti较大时，积分时间应长些。微分环节D与微分时间Td有关，是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。控制系统的时间常数Td较小时，微分时间应短些;控制系统的时间常数T d较大时，微分时间应长一些。微分环节D对比例环节P起到补偿作用，抑制超调，减少波动。

PID调整方式是在系统调试过程中最先确定的是比例系数P的值，如果被控量在目标值附近振荡，就要加大积分时间Ti，还有振荡，逐渐减小比例系数P。若被控量振荡幅度很大，就要加大比例系数P。整个控制过程恢复恢复时间较长，就要减小积分时间I，或加大微分时间D。系统调试是一个反复的过程，空载调试、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

4 举例说明

控制系统中PID控制方式有許多种，有硬件方式的， PID电子电路，像DDZ型调节器，这种控制成本低，响应快，但是调节困难。有使用软件方式的，使用PLC的PID指令完成的，这种方式简单、方便、实用，为主要控制的方式。现举例说明，如PID的温度控制系统，设计一款智能烤炉，采用PID控制调节温度，要求温度输出值为350度，温度上下允许波动1度，在PID温度控制中，控制系统中硬件结构上采用三菱FX1N PLC、三菱模拟量输入模块FX0N-3A模拟量输入模块、温度变送器、固态继电器、热电偶、加热管。软件程序的实现方式采用三菱PLC的PID指令编制梯形——[PID S1.S2.S3.D]。S1.操作数是PID控制设定值存储字单元;S2.操作数是PID控制测定值存储字单元;S3.操作数是PID控制参数存储字单元首址;D操作数是PID控制输出。

通过FX0N-3A模拟量输入模块时刻采集温度变送器的值，间接采集到热电偶的温度值，通过PID指令的运算结果时刻控制固态继电器的导通时间，间接控制了加热管的发热量，从而实现了通过PID指令闭环控制温度的过程。系统硬件搭建好后，针对系统内的变送器和热电偶的参数对模拟量输入模块进行校准，采用电流输入方式。经过反复试验测试采样几组数据，选择最佳的PID参数。

（1）采样时间=200ms，P=6000，I=2000， D=10，测出实际温度上偏差352，下偏差347，温度的偏差为+2、-3。

（2）采样时间=2000ms，P=1000，I=2000， D=10，测出实际温度上偏差352，下偏差344，温度的偏差为+2、-6。

（3）采样时间=2000ms，P=6000，I=1000， D=10，测出实际温度上偏差357，下偏差342，温度的偏差为+7、-8。

（4）采样时间=2000ms，P=6000，I=2000， D=0，测出实际温度上偏差354，下偏差346，温度的偏差为+4、-4。

（5）采样时间=2000ms，P=6000，I=2000， D=10，测出实际温度上偏差351，下偏差349，温度的偏差为+1、-1。

经过测试得出最后一组数据控制的偏差比较小基本达到了PID对温度的精准控制。在对5组数据分析时发现PID控制温度时，减小采样时间，PID输出上下波动比较大，增加采样时间PID输出值变化比较平稳。增加比例系数，温度变化时控制器可以快速的加以调整，减小比例系数时控制器调整起来比较慢。增加积分系数，PID输出上下波动比较小，减小积分系数时PID输出波动比较大。增加微分系数，特别是温度在有下降的趋势时，立刻就可以看到PID輸出增加，减小微分系数时随着温度的变化PID输出值变化的很缓慢。通过测试发现即使温度达到了设定值，PID运算输出也是有一个输出值，在这个输出值附近上下微小波动，使得固态继电器始终有一个小的输出来维持当前的温度，因为固态继电器始终有输出，所以加热管一直在发红，利用红外辐射来烤制。

5 结语

随着工业自动化的不断发展，PID控制的应用也越来越广泛，传统的PID控制已经在更新发展，出现智能PID控制，在将来会有更好的控制器来实现智能控制的目的。

参考文献：

[1]三菱电机.FX系列可编程控制器用户手册.2006.

[2]张康.挤压机、加水、加酶、加料自动控制系统试验研究[J]2010.04.15.