基于數(shù)字PID溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

陳樂(lè) 張健

摘 要：該文就針對(duì)數(shù)字PID控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，然后探討了溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的具體組成，最后闡述了數(shù)字PID控制器在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，希望可以對(duì)相關(guān)研究工作起到積極助推作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字PID 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 原理 組成 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0153-02

PID控制形式不需要對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，算法相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，而且具有較好的可靠性和魯棒性，在工業(yè)生產(chǎn)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中具有良好的運(yùn)用前景。因此，需要加強(qiáng)對(duì)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)字PID的研究分析，使其能夠在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮出更大的作用。

1 數(shù)字PID控制器的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理簡(jiǎn)述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從數(shù)字PID控制器的硬件組成系統(tǒng)上來(lái)看，其是以PLC可編程控制器作為核心的一種控制器，主要構(gòu)成部分有工控機(jī)、溫度控制電路、PLC及控制模塊以及報(bào)警電路等組成。

1.2 工作原理

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度采樣時(shí)，往往是在一個(gè)采樣周期當(dāng)中，被控系統(tǒng)在4個(gè)采集點(diǎn)的溫度值通過(guò)采集器輸入到熱電偶擴(kuò)展模塊EM231當(dāng)中。通過(guò)PLC模塊錄入溫度值之后，將其溫度均值作為系統(tǒng)控制的實(shí)際溫度。然后，再利用熱電偶模塊組成PLC溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)脈寬調(diào)制，就可以進(jìn)一步獲取繼電器對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間。由此，通過(guò)對(duì)繼電器導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇或是電爐的工作調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的效果。

2 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成分析

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器可以進(jìn)一步劃分為熱電偶、熱電阻這兩個(gè)部分。熱電偶一般是利用兩個(gè)不同的導(dǎo)體閉合組成的回路，這兩個(gè)不同的導(dǎo)體在連接點(diǎn)存在不一樣的溫度時(shí)，機(jī)會(huì)使得回路中產(chǎn)生一個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象被稱之為熱電效應(yīng)。熱電阻就是在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中低溫區(qū)的一種的常用溫度檢測(cè)器，其是以金屬導(dǎo)體的電阻值隨熱變化的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的?；谶@一特性，就可以根據(jù)熱電阻溫度的變化情況，判斷出該區(qū)域溫度的變化情況。

2.2 調(diào)節(jié)單元

在測(cè)量所得的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理之后，就會(huì)被傳輸給調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器在接受到對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)之后，就會(huì)將其和系統(tǒng)的預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行對(duì)比，以此根據(jù)對(duì)比結(jié)果下達(dá)對(duì)應(yīng)的指令，從而對(duì)風(fēng)扇或是電爐形成調(diào)節(jié)。

2.3 執(zhí)行單元

一般情況下，執(zhí)行單元主要是由可控硅電路和噴水裝置或是加熱裝置聯(lián)合構(gòu)成的，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫度變化之后，若是其超過(guò)預(yù)設(shè)溫度，比較電路當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的放大電路信號(hào)，通過(guò)可控硅電路導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)裝置進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)會(huì)后，又會(huì)是放大電路產(chǎn)生的信號(hào)逐漸弱化，使其不足以支撐可控硅電路的導(dǎo)通，進(jìn)而就使得相關(guān)裝置停止工作，以避免溫度繼續(xù)出現(xiàn)變化。

3 基于數(shù)字PID溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的溫控算法

3.1 數(shù)字化PID控制器

要實(shí)現(xiàn)PID溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)PLC對(duì)模擬量實(shí)現(xiàn)PID控制，

一般情況下，PID的連續(xù)系統(tǒng)控制規(guī)律，是進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這也就需要將數(shù)字化寫成相應(yīng)的離散控制方程。在這之后，就可以在離散方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)。從連續(xù)系統(tǒng)說(shuō)來(lái)，可以根據(jù)輸入輸出的相關(guān)關(guān)系對(duì)PID控制的關(guān)系進(jìn)行表示，具體的表達(dá)方程為：即

在該式中，TD表示微分時(shí)間常數(shù)，TS表示積分時(shí)間常數(shù)，KC表示比例系數(shù)。PID控制器的輸出量用M（t）表示，輸出的初始值利用Mo表示，被控變量與給定值之間的誤差信號(hào)使用e（t）表示。將該式中的各項(xiàng)隨意取出一個(gè)或是兩個(gè)，那么就可以組成P、PI或是PD控制器。要是在設(shè)置采樣周期的時(shí)候?qū)⒅芷谥翟O(shè)為TS，將系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行的初始時(shí)刻設(shè)定為t=0，如此就可以進(jìn)一步使用差分近似得出微分，使用矩形積分近似得出積分。通過(guò)這樣的方法，就可以實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算式的離散化，進(jìn)而獲取第n采樣的輸出形式。PID表在計(jì)算PID之前需要進(jìn)行預(yù)先設(shè)立，其就是把給定值當(dāng)做過(guò)程變量進(jìn)行輸入，可以利用PID指令在回路中進(jìn)行讀取，但是不得對(duì)其進(jìn)行改寫。

3.2 轉(zhuǎn)換輸入輸出變量

在輸入這個(gè)方面，將A/D轉(zhuǎn)換后得到了整數(shù)值，通過(guò)16位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)。此后，需要進(jìn)一步將得到的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。與此同時(shí)，對(duì)過(guò)程變量和給定值展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化處理。最后，需要將得到的雙極性實(shí)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為處于0.0～1.0之間的實(shí)數(shù)。

在輸出這個(gè)方面，也就是PID控制器的輸出，一般情況下其輸出量是處于0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)。而在回路輸出信號(hào)傳輸?shù)紸/D之前，必須將其轉(zhuǎn)化，使其成為16位的二進(jìn)制整數(shù)?？梢钥闯?，這個(gè)過(guò)程和輸入的轉(zhuǎn)換是剛好相反的，所以在程序的設(shè)置上也是相反的。

3.3 參數(shù)整定

對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，才藝采取擴(kuò)充臨界比例算法的方法進(jìn)行，通過(guò)PLC自整定PID功能，對(duì)TD、TS和KC的值進(jìn)行整體，采樣時(shí)間可以設(shè)定為TS=0.5 s，這樣就可以得出PID控制器對(duì)應(yīng)的增益系數(shù)，及KC=8，而對(duì)應(yīng)的積分時(shí)間常數(shù)則為0.75 s，對(duì)應(yīng)的微分時(shí)間常數(shù)則為0.953 s，具體的響應(yīng)曲線如圖1所示。

從圖1中可以判斷得出，在經(jīng)過(guò)幾個(gè)采樣周期的調(diào)整之后，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，基本上處在控制范圍的中心位置，控制效果非常良好。

3.4 比較分析

通過(guò)該文論述而言，數(shù)字PID控制算法是通過(guò)基礎(chǔ)的PLC控制模塊對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，就可以進(jìn)行PID控制。由于核心環(huán)節(jié)在于溫度采樣，根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值對(duì)控制量進(jìn)行計(jì)算。所以，連續(xù)PID算法需要在離散化的狀態(tài)下才能夠進(jìn)行使用，而不能直接連續(xù)使用。在傳統(tǒng)的PID控制形式當(dāng)中，系統(tǒng)在增減設(shè)定、結(jié)束或是啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)是系統(tǒng)產(chǎn)生較大的偏差，進(jìn)而使得控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大超調(diào)的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)候可能使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，增大了調(diào)節(jié)時(shí)間。而溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求不斷升高地情況下，調(diào)節(jié)器進(jìn)入深度飽和狀態(tài)的幾率逐漸增大，因此就不允許產(chǎn)生這種問(wèn)題。所以，數(shù)字PID在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更加重要。

4 結(jié)語(yǔ)

溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的促進(jìn)作用也越來(lái)越突出。所以，需要對(duì)數(shù)字PID加強(qiáng)研究，明確其系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，理解溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，將數(shù)字PID切實(shí)運(yùn)用到溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，不斷提升溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李建海，張大為，張凱.數(shù)字PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2009（4）：100-103.

[2]劉迪，譚春亮，李建海.基于數(shù)字PID和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010（4）：28-30.