温度PID的整定过程

个人中心我的主页好友zhengliu688|装扮|设置|退出 查看文章 温度PID的整定过程2011-08-0619:19在两年多以前，我写了一篇关于如何整定PID的小文章，收到不少的朋友给我发E-mail，讨论关于PID参数整定的问题。今天刚好有一个小小的项目，需要整定PID参数，我们再用原来的方法，来做一遍，看看效果如何。  需要注意的是，我们都是从头开始，我并不知道之前的方法会不会有效，不过，我们来试一试吧。  1.首先，我们先看看客户的要求。  客户要求我们，控温的精度在0.5度以内，尽量小的波动。  2.好吧，要求比较的少。我们开始吧。  我们测试一下执行机构，看看这个执行机构的加热速度有多快，这个速度将影响我们选取PID的采样时间，这可是整个系统的前提。  我们编写一个程序，使加热器以100%的功率加热，编写下位机程序，让单片机将温度传感器的采集值，传送到计算机。计算机使用串口助手，将数据收集起来，然后使用我们的秒点绘图的软件，将图像绘制出来【描点绘图软件在我们的网站上有下载。免费】。图1-1整个温控系统的结构复制代码1.unsignedintmyData;2.PWM(100);                    //最高档加热3.for(;;)4.{5.  myData=GetTemp();        //获取当前的温度6.  SendOnyByte(myData/10);    //发送数据到计算机7.  os_wait(K_TMO,100,0);        //等待1秒钟8.}空城我的空间主页博客相册|个人档案|好友|i贴吧消息页码，1/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  好了，数据开始采集了，让我们耐心等待吧……  【漫长的等待】  好了，经过半个小时的连续采集，采集到了8600组有效数据，在下面的文件中，大家可以下载研究：采集到的原始数据1.txt(25.59KB,下载次数:3)  以上采集到的这些数据是16进制的，我们使用张彦欣单片机有限公司的免费进制转换软件，将其转换为10进制：    转换成10进制以后的文件，点击这里可以下载：原始数据1转换成10进制后.txt(25.59KB,下载次数:0)  现在得到一个转换为10进制的文件，里面的数据可以用来绘制图像了。启动张彦欣单片机的描点绘图软件，将数据导入，可以绘制出图形：图1-2使用串口助手数据采集中图1-316进制转换为10禁止批量软件（可到免费下载）页码，2/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  3.选择合适的采样时间  根据图1-4，我们可以看出来，整个加热过程基本是呈线性的，也就是说，加热机构的加热速度是比较均匀的，而且加热速度比较的慢。30分钟，温度从35度到了95度，平均每分钟温度升高2度，每30秒变化1度。按照我之前论文中的说法，如果将我们目标控制温度误差0.5度叫做一个“最小单位”，那么变化一个“最小单位”所需要的时间是15秒，我们可以叫这个时间为“最小单位时间”。那么，在PID中，采样时间一定要小于这个“最小单位时间”，否则，可能出现温度超标，却还没有检测到的现象；当然，采样时间也不能远远小于这个时间，否则可能出现系统振荡。综上所述，我们将采样时间定在5秒钟。  虽然方法没有问题，但是加热机构的效率的确有点低，加热速度有些慢，所以，我们更换一个功率更大的加热器，再重新测试一下看看：采集到的原始数据2.txt(14.39KB,下载次数:0)原始数据2转换成10进制后.txt.txt(14.75KB,下载次数:0)  以上是加热500秒的曲线，温度从24度加热到了106度，平均每6秒钟变化1度。按照之前我们提到的“最小单位时间”，变化0.5度的时间是3秒，所以综合起来，我们选取采样时间为1秒钟。  4.确定比例系数Kp图1-4将数据绘制成图形后的结果图1-5  更换更快的加热器后加热曲线页码，3/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  确定采样周期后，就要确定比例系数Kp、Ki和Kd。按照顺序，先确定Kp，然后是Ki，最后是Kd。      如图1-6所示，典型PID的控制曲线，在一般的PID控制过程中，比例部分（P部分）至关重要。比例部分可以归结成一句话说：当当前的温度和目标温度相差较远的时候，全火力加热，当温度慢慢接近目标温度的时候，火力慢慢的降低，比例部分（P部分）的作用慢慢的削减，积分（I部分）和微分（D部分）慢慢的起作用。  在这其中，比例系数的作用就是告诉系统，什么时候停止全火力加热。比如，在本系统的驱动程序中PWM（）函数负责调节输出功率，最低是PWM（0），输出功率是0；最高是PWM（100），输出功率最大（本例子中是200瓦）。  例如，当前温度是50度，目标温度是100度，Kp=2：  Ek=100-50=50；  DTY=Kp*Ek=2*50=100；  PWM(100);  再例如，当前温度是80度，目标温度是100度，Kp=6：  Ek=100-80=20；  DTY=Kp*Ek=6*20=120；  DTY=100；  PWM(100);  上面举的例子，可以看出，比例系数（Kp）越大，加热的速度就越快，但是这其中有一个问题：是不是Kp越大越好?肯定不是，那么如果Kp太大，会有什么后果呢？我们不妨来再看一个例子：  当前温度是98度，目标温度是100度，Kp=50：  Ek=100-98=2；  DTY=Kp*Ek=2*50=100；  PWM(100);  我们可以看到，在当前温度达到98度的时候，系统还在100%的功率加热，会出现什么情况？会出现系统加热速度太快，过了100度的情况，要知道，一般的加热系统，加热容易，要降温往往就比较麻烦了……  这个“过了”的了情况，其实就是PID系统里的“超调”。Kp过大，加热速度快，超调也会很大；Kp过小，加热速度很慢，超调也很小。    当然，Kp的大小，是有一个最优化的，就是并不是平白无故选择的，而是跟系统的特性有关。举个例子说明“超调”：图1-6PID控制系统的典型曲线复制代码1.Ek=TargetTemp-CurrentTemp;//计算当前温度和目标温度之间的差值2.DTY=Kp*Ek;                //计算当前应该输出的功率3.if(DTY100)                    //限幅4.  DTY=100;5.PWM(DTY);                    //功率输出页码，4/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  如图1-7所示，图中的直线是“目标量”，我们希望汽车以最快的速度到达代表“目标量”的直线，但是不要超过，也不要没有到达，最好刚刚好到达直线。现在就来问题了：汽车的司机在离直线很远的时候，全速前进；在离直线距离较近的时候，开始减速前进。不减速，到了直线再刹车，显然会使汽车越过直线较远距离，那么什么时候减速，减速多少，这就是一个优化问题。这也就是上面提到的比例系数Kp的大小问题。  我们再考虑一下，汽车应该在什么时候减速是最优化的？显然是一开始全速运转，然后在离直线“特定距离”的时候，紧急刹车，车刚刚好停在直线上。这种情况下，到达直线需要的时间显然是最短的。那么，这个“特定距离”是多少，跟什么有关呢？显然，和车的惯性有关，惯性大的车，应该提前刹车；惯性小的车，可以离直线更近的时候刹车。  同样的道理，不光汽车有“惯性”，我们加热系统同样是有惯性的，加热系统在停止加热以后，温度仍然有可能继续上升，这就是惯性，显然这个惯性越大，Kp就应该相应的减小，提前“刹车”。下面我们就测试一下加热系统的“惯性”：  以上代码的意思是，使用全部火力加热，当检测到温度达到100度的时候，关闭加热器，继续采集温度，继续观测温度，观看系统的“惯性”。惯性测量的原始数据.txt(22.77KB,下载次数:0)惯性测量数据转换为10进制.txt(22.8KB,下载次数:0)图1-7  汽车加速到终点线的演示复制代码1.for(;;)2.{3.  PWM(100);              //全火力加热4.  myData=GetTemp();  //获取当前的温度5.  SendOnyByte(myData);  //将数据发送到计算机6.  if(myData==100)7.  {8.      PWM(0);            //停止加热9.      break;                //跳出循环10.  }11.}12.13.for(;;)14.{15.  myData=GetTemp();//获取当前的温度16.  SendOnyByte(myData);//将数据发送到计算机17.}页码，5/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  如图1-8所示，系统在达到100度以后，温度并没有因为“惯性”继续上升，而是转而下降，这说明系统“刹车”很快，我们可以放心驾驶，不会出现到达终点停不下的情况。可以将Kp设置为一个较大的数据。  我们可以设定，在温度误差是2度的时候，全火力加热，只有小于2度的误差，才慢慢的降低火力，因此Kp=5（因为系统采集的温度都带有1位小数，但是使用整数int表示，所以都乘以了10）；  我们来看看在Kp=5的情况下，系统的加热曲线（目标温度是30度）：图1-8惯性测试曲线复制代码1.for(;;)2.{3.  if(SYS.TargetValueSYS.Temp)//目标温度值比当前值高4.  {5.      Ek=SYS.TargetValue-SYS.Temp;//比例部分6.      Data=Ek*Kp;7.8.      if(Data100)9.        Data=100;10.11.      PWM.DTY=Data;12.  }13.  elseif(SYS.TargetValue=SYS.Temp)//目标温度值比当前值低14.  {15.      PWM.DTY=0;16.  }17.18.  os_wait(K_TMO,100,0);  //等待1秒19.}图1-9Kp=5时，系统加热曲线页码，6/7温度PID的整定过程_空城_百度空间2011-10-23  我们看到，以上的加热曲线中，加热快速而准确，满足了我们的要求。如果此处想验证更加优化的Kp，可以多次调整，绘制图像，比较各个图像，选择一个最佳值。此处我们不做更改了，就选择Kp=5；  细心的朋友可能会发现了，我们的目标值是30度，而系统最终稳定在了29度（其实是绘图的误差，系统最终稳定在了29.6度左右）。但是无论如何，系统没有到达我们的要求值30度，可奇怪的是，此时的系统是稳定的，一直恒定在这个温度，不像是一个故障状态。  正是如此，这不是故障，也不是我