温度控制的PID算法与C程序实现Word文档格式.docx
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2.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。
（1）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=0,SSR关闭；
要么占空比K=100％,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。
（2）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（0－100％），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。
3．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-1）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：
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-1在第n－1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*Ts/Ti
Ts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*Td/Ts
Ts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：
（1）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。
（2）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。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用越强。
积分控制可提高系统的无差度，但积分项输出响应缓慢，使得系统调节时间增长。
（3）微分调节作用：
微分项反映系统过程变量的变化率（（PVn-1-PVn）/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。
以上面的推导，C程序如下
/*
pid算法C源程序，还有实现pid自动调整。
51用于控制温度26-100摄氏度。
TIME:
2011-07-2920:
15:
07
*/
#include<
stdlib.h>
#include"
global_varible.h"
/****************************************************************************
*模块名:
PID
*描述:
PID调节子程序
*采用PID-PD算法。
在偏差绝对值大于△e时，用PD算法，以改善动态品质。
*当偏差绝对值小于△e时，用PID算法，提高稳定精度。
*PIDout=kp*e（t）+ki*[e（t）+e（t-1）+...+e
（1）]+kd*[e（t）-e（t-1）]
*============================================================================
*入口:
无
*出口:
*改变:
PID_T_Run=加热时间控制
*****************************************************************************/
voidPID_Math（void）
{
signedlongee1;
//偏差一阶
//signedlongee2;
//偏差二阶
signedlongd_out;
//积分输出
if（!
Flag_PID_T_OK）
return;
Flag_PID_T_OK=0;
Temp_Set=3700;
//温度控制设定值37.00度
PID_e0=Temp_Set-Temp_Now;
//本次偏差
ee1=PID_e0-PID_e1;
//计算一阶偏差
//ee2=PID_e0-2*PID_e1+PID_e2;
//计算二阶偏差
//一阶偏差的限制范围
if（ee1>
500）ee1=500;
if（ee1<
-500）ee1=-500;
PID_e_SUM+=PID_e0;
//偏差之和
//积分最多累计的温差
if（PID_e_SUM>
200）PID_e_SUM=200;
if（PID_e_SUM<
-200）PID_e_SUM=-200;
PID_Out=PID_kp*PID_e0+PID_kd*ee1;
//计算PID比例和微分输出
if（abs（PID_e0）<
200）//如果温度相差小于1.5度则计入PID积分输出
{
if（abs（PID_e0）>
100）{//如果温度相差大于1度时积分累计限制
if（PID_e_SUM>
100）PID_e_SUM=100;
if（PID_e_SUM<
-100）PID_e_SUM=-100;
}
d_out=PID_ki*PID_e_SUM;
//积分输出
if（PID_e0<
-5）{//当前温度高于设定温度0.5度时积分累计限制
150）PID_e_SUM=150;
0）d_out>
>
=1;
//当前温度高于设定温度0.5度时削弱积分正输出
PID_Out+=d_out;
//PID比例,积分和微分输出
}
else
PID_e_SUM=0;
PID_Out/=100;
//恢复被PID_Out系数放大的倍数
if（PID_Out>
200）PID_Out=200;
if（PID_Out<
0）PID_Out=0;
if（PID_e0>
300）PID_Out=200;
//当前温度比设定温度低3度则全速加热
if（PID_e0<
-20）PID_Out=0;
//当前温度高于设定温度0.2度则关闭加热
Hot_T_Run=PID_Out;
//加热时间控制输出
//PID_e2=PID_e1;
//保存上次偏差
PID_e1=PID_e0;
//保存当前偏差
}
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