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温度控制与PID算法.doc

温度控制与PID算法

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2017-10-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《温度控制与PID算法doc》,可适用于工程科技领域

温度控制与PID算法下面的叙述以波峰焊及回流焊加热温区的温度控制为实例简单地结合控制理论以浅显的方式将温度控制及PID算法作一个简单的描述。(温度控制的框图这是一个典型的闭环控制系统用于控制加热温区的温度(PV)保持在恒定的温度设定值(SV)。系统通过温度采集单元反馈回来的实时温度信号(PV)获取偏差值(EV)偏差值经过PID调节器运算输出控制发热管的发热功率以克服偏差促使偏差趋近于零。例如当某一时刻炉内过PCB板较多带走的热量较多时即导致温区温度下降这时通过反馈的调节作用将使温度迅速回升。其调节过程如下:温度控制的功率输出采用脉宽调制的方法。固态继电器SSR的输出端为脉宽可调的电压UOUT。当SSR的触发角触发时电源电压UAN通过SSR的输出端加到发热管的两端当SSR的触发角没有触发信号时SSR关断。因此发热管两端的平均电压为Ud,(tT)*UAN=K*UAN其中K=tT为一个周期T中SSR触发导通的比率称为负载电压系数或是占空比K的变化率在,之间。一般是周期T固定不便调节t,当t在,T的范围内变化时发热管的电压即在,UAN之间变化这种调节方法称为定频调宽法。下面将要描述的PID调节器的算式在这里的实质即是运算求出一个实时变化的能够保证加热温区在外界干扰的情况下仍能保持温度在一个较小的范围内变化的合理的负载电压系数K。温度控制的两个阶段温度控制系统是一个惯性较大的系统也就是说当给温区开始加热之后并不能立即观察得到温区温度的明显上升同样的当关闭加热之后温区的温度仍然有一定程度的上升。另外热电偶对温度的检测与实际的温区温度相比较也存在一定的滞后效应。这给温度的控制带来了困难。因此如果在温度检测值(PV)到达设定值时才关断输出可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值需要较长时间才能回到设定值如果在温度检测值(PV)未到设定值时即关断输出则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度(即加热速度)与系统稳定性之间地矛盾我们把温度控制分为两个阶段。()PID调节前阶段在这个阶段因为温区的温度距离设定值还很远为了加快加热速度SSR与发热管处于满负荷输出状态只有当温度上升速度超过控制参数“加速速率”SSR才关闭输出。“加速速率”描述的是温度在单位时间的跨度反映的是温度升降的快慢如上图所示。用“加速速率”限制温升过快是为了降低温度进入PID调节区的惯性避免首次到达温度设定值(SV)时超调过大。在这个阶段要么占空比K=,SSR关闭要么占空比K=,,SSR全速输出。PID调节器不起作用仅由“加速速率”控制温升快慢。()PID调节阶段在这个阶段PID调节器调节输出根据偏差值计算占空比(,,)保证偏差(EV)趋近于零,即使系统受到外部干扰时也能使系统回到平衡状态。(PID算法PID控制的原理是基于下面的算式:输出M(t)是比例项积分项和微分项的函数。其中:M(t)PID回路的输出是时间的函数KcPID回路的比例增益ePID回路的偏差(设定值(SV)与过程变量(PV)之差)MinitialPID回路的静态输出值为了能让数字计算机处理这个算式连续算式必须离散化为周期采样偏差算式才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下:从这个公式可以看出积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数微分项是当前采样和前一次采样的函数比例项仅是当前采样的函数。在数字计算机中不保存所有的误差项其实也不必要。由于计算机从第一次采样开始每有一个过程采样值必须计算一次输出值只需要保存前一次过程值(PVn)和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以将以上算式变换为:其中:Mn在第n采样时刻PID回路的输出计算值SVPID回路设定值PVn在第n采样时刻的过程变量值PVn在第n,采样时刻的过程变量值MX积分前项值MintialPID回路的静态输出值KcPID回路的比例增益KI积分项的比例常数KI=Kc*TsTiTs是离散化时的采样时间间隔Ti是积分时间参数KD微分项的比例常数KD=Kc*TdTsTs是离散化时的采样时间间隔Td是微分时间参数从上面PID的算式可以分析三个基本参数Kc,KI,KD在实际控制中的作用:()比例调节作用:比例项按比例反应系统的偏差系统一旦出现了偏差比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大可以加快调节减少偏差。但是过大的比例调节使系统的稳定性下降甚至造成系统的不稳定。()积分调节作用:积分项消除系统的稳态误差提高无差度。只要有偏差积分就进行直到无偏差时积分运算才停止积分调节项输出一常数值。积分作Ti越小积分作用越强。积分控制可提高用的强弱取决于积分时间常数Ti系统的无差度但积分项输出响应缓慢使得系统调节时间增长。()微分调节作用:微分项反映系统过程变量的变化率((PVnPVn)Ts)具有预见性能预见变化的趋势因此能产生超前的调节作用在偏差还没有形成之前已被微分调节作用消除。因此可以改善系统的动态性能。在微分时间参数Td选择合适的情况下可以减少超调减少调节时间。微分调节对干扰有放大效果过强的微分调节对系统抗干扰不利。此外微分项反映的是过程变量的变化率而当过程变量没有变化时微分调节输出为零。微分调节不能单独使用需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID调节器。

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