一种基于增量式数字PID算法的智能温度控制器_林海波
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与模拟 P ID 相比 , 数字 PID 控制增加了 P ID 调 节器 , A / D 、D / A 转换器和 3 个电子开关 。 由计算 机软件的运算来替代模拟电路中的电阻 、电容 、运算 放大器的工作 。 PID 控制系统框图[ 1] 如图 1 所示 。
图 1 数字 P ID 控制系统框图
设模拟 P ID 调节器的输出值为 uo , 则 :
PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的[ 2 , 4] 。 大惯量如 :烘烤房 的温度控 制 , 一 般 P 可在 10 以 上 , I 在(3 , 10)之间 , D 在 1 左右 。小惯量如 :一个 小电机闭环控制 , 一般 P 在(1 , 10)之间 , I 在(0 , 5) 之间 , D 在(0. 1 , 1)之间 , 具体参数要在现场调试时 进行修正 。
PID 智能温度控制器硬件设计方案[ 4] 采用单回 路闭环控制方式 , 结构主要包括单片机构成的微控 制器 , 加热电路 , 温度采集 , 温度显示与键盘 。 系统 采用热敏电阻作为测温装置 , 经过三点式线性校正 、 运算放大器放大 , 转换成一定的电压值 , 由 LM331 经过 V /F 转换把频率信号输入单片机处理 。 显示 器显示各种需要的信息 , 键盘用于控制器的操作和 K P 、K I 、K D 参数的设定 。 比较器和 PID 控 制器由 单片机程序构成 , PID 控制器输出的控制量变换成 宽度可调的脉冲信号去控制晶 闸管导通时间 的多 少 , 从而来控制电加热器的热量 , 达到控制温度的目 的 。 PID 智能温度控制器控制框图如图 5 所示 。
K P ——— 比例系数 , K I
=K PT TI
为积分系数 ,
KD
=K PTD T
为微分系数 。
为了获得较好的控制效果 , 必须使 K P 、K I 、K D
有一组恰当的值 , 由于数字 P ID 调节器的输出与输
入关系是由计算机软件决定的 , 所以对数字 P ID 控
制器参数的整定 , 实际上是通过控制器的键盘进行
主程序模块主要工作是上电后对系统初始化和 构建系统整体软件框架 。其中初始化包括对单片机 的初始化 、A / D 程序初始化和串口初始化等 。然后 等待温度设定 , 若温度已经设定好了 , 判断系统运行 键是否按下 , 若系统运行 , 则依次调用 各个相关模 块 , 循环控制直到系统停止运行 。 3. 3 数据采集 A /D 模块
数据处理模块 、控制算法模块等组成 。 主模块的功
4 结语
本文主要研 究了基于 PID 算法的 智能温度控 制系统的设计 。以 A T 89C52 单片机为核心进行了 系统硬件方案设计 , 输入通道采用热敏电阻温度传 感器 , 输出通道采用晶闸管作为输出控制元件 。 通 过对占空比的调节可实现温度的自动控制 。 PID 智 能温度控制器与一般的单片机应用区别不大 , 关键
图 4 增量式 P ID 控制算法程序流程图
1. 3 P ID 参数整定 P ID 调节器的参数整定方法有很多 , 可归结为
88
长春工程学 院学报(自然科学版)
2011 , 12(3)
理论计算法和工程整定法 2 种[ 2 , 3] 。实际用得较多 的还是工程整定法 。 这种方法最大的优点就是整定 参数时不依赖对象的数学模型 , 简单易行 。
∫ uo =K P
e +1 TI
ed t
+TD
de dt
+ue[ 1]
(1)
式中 :uo ——— 调 节器 的输 出 , 作用 在 执行 器 上的
信号 ;
e ——— 调节器的输 入 , 是 给定值 和反馈 值的
差值 ;
ue ——— 调节器的输入 e =0 时的输出值 ;
K P 、T I 、TD ——— 比 例 增益 、积分 、微 分时 间 常数 。
林海波 , 等 :一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
89
在于 P ID 控制软件的设计和 K P 、K I 、K D 参数的整 定 , 关键在于对电加热器接口电路的设计和控制方 案的选定 。
系统通过 LabV IEW 仿真测试[ 5 - 6] , 具有 较高 的精确度和稳定性 , 较好地实现了实际生产中对于 温度的智能控制 。
在使用计算机后 , 需要对模拟信号进行离散化
处理 。设计算机的取样时间为 T , 以一系列取样时刻
点 kT 代替连续时间 T , 以和式代替积分 , 以增量代
替微分 , 可得到数字 PID 的关系式 :
k
∑ u(k) = K Pe(k) + K I e(j) + K D[ e(k) j =0
E(k - 1)] [ 1]
能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作 ; 数据采集模块的作用是将热敏电阻采集的温度信号 转换成电压 值 , 再由 LM 331 转换成频 率信号送入 单片机 ;数据处理模块是将采集到的数据进行线性 化处理和滤波处理 ;控制算法模块完成控制系统的 P ID 运算并且输出控制量 。 3. 2 主程序模块
林海波1 , 王晓曦2 , 刘奭昕2
(1. 长春工程学院电气与信息工程学院 , 长春 130012 ; 2. 大连理工大学电子信息与电气工程学部 , 大连 116023)
摘 要 :阐述了一种基于增量式数字 PID 算法的智
能温度控制器的实现 , 并对数字 P ID 算法及硬件方
案的实现进行了分析 。 通过软硬件的设计 , 完成了
执行器往往是模拟量 , 通过 D /A 转换 , 把输出 的数字量变换成模拟量去驱动执行器 , 由执行器的 动作来改变被控对象的状态 , 达到控制的目的 。 在 许多控制应用场合 , 需要对被控对象状态的变化过 程等记录 、打印 , 需要将操作设定的内容保存 、记录 装置 。有的控 制系统需要进行 集散控制或数 据传 送 , 要通过串行通信进行数据传送或控制 , 要设计串 行口通信 , 以便上位机与下位机之间的通信 。
数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以 及将采集到的信号通过 A / D 转换器转化为相应的 数字量提供给单片机 。数据采集 A /D 模块的程序 流程图如图 6 所示 。
图 6 A /D 转换程序流程图
图 5 P ID 智能温度控制器控制框图
3 系统软件设计
3. 1 软件组成 系统的软件主要由主程序模块 、数据采集模块 、
0 引言
温度的检测和控制在理论上发展比较成熟 , 但 在实际测量和控制中 , 如何保证快速实时地对温度 进行采样 , 确保数据的正确传输 , 并能对所测温度场 进行较精确的控制 , 仍然是目前需 要解决的问题 。 自动控制有多种形式 , 有开环控制 、单闭环控制 、串 级回路控制等 ;有许多 实施控制的方 法 , 有顺 序控 制 , 有继电器逻辑控制 , 有比例 、积分 、微分控制(即 PID 控制), 有自适应和模糊控制等 , 而单闭环 PID 控制是应用最广泛的一种控制 。
K p [ e(k)- e(k - 1)] +K Ie(k) +K D [ e(k) -
2e(k - 1) +e(k - 2)]
(3)
式中 :k ——— 取样信号 , 取 0 , 1 , 2 , …;
e(k)——— 第 k 次取样的偏差值 , e(k - 1) 为第
k - 1 次的取样偏差值 ;
u(k)———PID 控制器第 k 次输出值 ;
本系统设计的核心算法为增量式 P ID 算法 , 它 根据本次采样的数据与设定值 进行比较得出 偏差 e(k), 对偏差进行 P 、I 、D 运算 , 利用运算结果控制 脉冲的占空比来实现对双向晶 闸管导通时间 的控 制 , 进而控制加热器的温度 , e(k)可按式(3)求出 。
2 系统硬件设计方案
在 P ID 智能控制器中 , 如何实现 PID 控制是关 键 。一般情况下 , 可应用增量式 PID 控制算法进行 控制 , 系统结构如图 3 所示[ 1 - 2] 。
Hale Waihona Puke 图 3 增量式 P ID 控制系统结构图
增量式 P ID 控制算法的表达式如下 :
Δu(k) = u(k)- u(k - 1) =
K P 、K I 、K D ——— 分别为比例 、积分 、微分系数 ;
Δu(k)——— 第 k 次相对于第k - 1 次的控制量
的增量 。
增量式 P ID 控制算法在控制过程中 , 每次输出
的控制值只是控制的增量 , 执行器每次的变化量较
小 , 使被控对象的参数变化缓 慢 , 控制 系统相对稳
定 , 它的算法程序如图 4 所示 。
为减少体积 , 便于使 用 , 大部分 P ID 智能 控制 都选 用 单片 机 来设 计 , M CS-51 系列 单 片机 中 的
A T 89C52 有 256B 的 内 部 RAM 和 8 kB F lash ROM , 并 且可 以通过 I / O 口 扩展 技术 , 扩展 外界 RA M 和 ROM , 增加单片机的数据存储能力和程序 存储能力 , 是 P ID 智慧控制器的理想的单片机 。
25 /38 8 6-8 9
长春工程学院学报 (自然科学版) 2011 年 第 12 卷 第 3 期 J. Chang chun Inst. T ech.(Na t. Sci. Edi.) , 2011, Vo l. 12 , N o. 3
ISSN 1009-8984 CN 22-1323 /N
一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
(2)
林海波 , 等 :一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
87
用 e(k)代替 e(kT ), k 为取样序号 , k =0 , 1 , 2 ,
…。
式中 :e(k)——— 第 k 次取样测得的设定值与反馈值 的定值 ;
u(k)———P ID 调节器第 k 次的输出值 ; e ——— 位置式 PID 数字控制 ;
PID 控制算法在温度控制系统中的应用 。 对温度控
制进行了 LabVIEW 仿真测试 , 仿真结果表明 , 基于
增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器具 有较好
的控制效果和较高的准确性 。
关键词 :P ID 算法 ;智能 ;数据采集 ;温度控制
中图分类号 :T P273. 5
文献标志码 :A
文 章 编 号 :1009-8984(2011)03-0086-04
参数的设置 。
1. 2 PID 智能控制器的设计
PID 智能控制器实际上是一个微计算机控制系 统[ 2] , 结构框图如图 2 所示 。
图 2 P ID 智能控制器结构框图
图 2 中 , 单 片机 是 PID 智能 控制器 的主要 部 分 。 A / D 变换器把被控对象的状态通过检 测装置 由模拟量转换为数字量输入 CP U 中 , 作为反馈值 。 面板键盘用于设置控制器的设定值和 P 、I 、D 的参 数 , 直接输入 CP U 。在智能化 PID 控制器中 , 没有 电阻 、电容 、运算放大器等模拟电子元器件组成的运 算电路 , 利用软件对设定值和反馈值直接进行数学 的减法运算 , 得到差值 e 进行调节 , u(k)可按 公式 (2)求出 。
参考文献
[ 1] 何顶新 , 王维 , 徐金 榜 , 等. 温控 系统中 改进 的 P ID 算法 [ J] . 电气传动 , 2007, 37(08) :36 - 39.
PID 控制器主要有模拟 PID 和数字 P ID 之分 。
收稿日期 :2011 - 08 - 25 作者简介 :林海波(1968 -), 男(汉), 长春 , 副教授
主要研究智能信号处理与智能检测 。
模拟 PID 控制器 , 实际上是由电阻 、电容 、运算放大 器构成的模拟电路来实现 PID 运算的功能。而数 字控制器主要是依靠数字计算机来实现的 , 把输入 量与输出量之 间的数学关系通过软件 的运算来完 成 。因此 , 数字 P ID 控制器比模拟 PID 控制器使用 更方便 , 可以实现更完美的控制 。 1. 1 数字 PID 控制器算法
文中智能温度控制器采用单闭环 P ID 控制 , 是 利用基于经典控制理论中 PID 调节器控制原理 , 以 AT 89C52 作为 CP U 芯片 , 选用热敏电阻作为温度 传感器实现的 , 系统尽可能选用典型 、易于替换的芯 片和电路 , 为系统的开放性 、标准化和模块化奠定了 良好基础 。
1 PID 控制器设计
图 1 数字 P ID 控制系统框图
设模拟 P ID 调节器的输出值为 uo , 则 :
PID 参数是根据控制对象的惯量来确定的[ 2 , 4] 。 大惯量如 :烘烤房 的温度控 制 , 一 般 P 可在 10 以 上 , I 在(3 , 10)之间 , D 在 1 左右 。小惯量如 :一个 小电机闭环控制 , 一般 P 在(1 , 10)之间 , I 在(0 , 5) 之间 , D 在(0. 1 , 1)之间 , 具体参数要在现场调试时 进行修正 。
PID 智能温度控制器硬件设计方案[ 4] 采用单回 路闭环控制方式 , 结构主要包括单片机构成的微控 制器 , 加热电路 , 温度采集 , 温度显示与键盘 。 系统 采用热敏电阻作为测温装置 , 经过三点式线性校正 、 运算放大器放大 , 转换成一定的电压值 , 由 LM331 经过 V /F 转换把频率信号输入单片机处理 。 显示 器显示各种需要的信息 , 键盘用于控制器的操作和 K P 、K I 、K D 参数的设定 。 比较器和 PID 控 制器由 单片机程序构成 , PID 控制器输出的控制量变换成 宽度可调的脉冲信号去控制晶 闸管导通时间 的多 少 , 从而来控制电加热器的热量 , 达到控制温度的目 的 。 PID 智能温度控制器控制框图如图 5 所示 。
K P ——— 比例系数 , K I
=K PT TI
为积分系数 ,
KD
=K PTD T
为微分系数 。
为了获得较好的控制效果 , 必须使 K P 、K I 、K D
有一组恰当的值 , 由于数字 P ID 调节器的输出与输
入关系是由计算机软件决定的 , 所以对数字 P ID 控
制器参数的整定 , 实际上是通过控制器的键盘进行
主程序模块主要工作是上电后对系统初始化和 构建系统整体软件框架 。其中初始化包括对单片机 的初始化 、A / D 程序初始化和串口初始化等 。然后 等待温度设定 , 若温度已经设定好了 , 判断系统运行 键是否按下 , 若系统运行 , 则依次调用 各个相关模 块 , 循环控制直到系统停止运行 。 3. 3 数据采集 A /D 模块
数据处理模块 、控制算法模块等组成 。 主模块的功
4 结语
本文主要研 究了基于 PID 算法的 智能温度控 制系统的设计 。以 A T 89C52 单片机为核心进行了 系统硬件方案设计 , 输入通道采用热敏电阻温度传 感器 , 输出通道采用晶闸管作为输出控制元件 。 通 过对占空比的调节可实现温度的自动控制 。 PID 智 能温度控制器与一般的单片机应用区别不大 , 关键
图 4 增量式 P ID 控制算法程序流程图
1. 3 P ID 参数整定 P ID 调节器的参数整定方法有很多 , 可归结为
88
长春工程学 院学报(自然科学版)
2011 , 12(3)
理论计算法和工程整定法 2 种[ 2 , 3] 。实际用得较多 的还是工程整定法 。 这种方法最大的优点就是整定 参数时不依赖对象的数学模型 , 简单易行 。
∫ uo =K P
e +1 TI
ed t
+TD
de dt
+ue[ 1]
(1)
式中 :uo ——— 调 节器 的输 出 , 作用 在 执行 器 上的
信号 ;
e ——— 调节器的输 入 , 是 给定值 和反馈 值的
差值 ;
ue ——— 调节器的输入 e =0 时的输出值 ;
K P 、T I 、TD ——— 比 例 增益 、积分 、微 分时 间 常数 。
林海波 , 等 :一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
89
在于 P ID 控制软件的设计和 K P 、K I 、K D 参数的整 定 , 关键在于对电加热器接口电路的设计和控制方 案的选定 。
系统通过 LabV IEW 仿真测试[ 5 - 6] , 具有 较高 的精确度和稳定性 , 较好地实现了实际生产中对于 温度的智能控制 。
在使用计算机后 , 需要对模拟信号进行离散化
处理 。设计算机的取样时间为 T , 以一系列取样时刻
点 kT 代替连续时间 T , 以和式代替积分 , 以增量代
替微分 , 可得到数字 PID 的关系式 :
k
∑ u(k) = K Pe(k) + K I e(j) + K D[ e(k) j =0
E(k - 1)] [ 1]
能是为其余几个模块构建整体框架及初始化工作 ; 数据采集模块的作用是将热敏电阻采集的温度信号 转换成电压 值 , 再由 LM 331 转换成频 率信号送入 单片机 ;数据处理模块是将采集到的数据进行线性 化处理和滤波处理 ;控制算法模块完成控制系统的 P ID 运算并且输出控制量 。 3. 2 主程序模块
林海波1 , 王晓曦2 , 刘奭昕2
(1. 长春工程学院电气与信息工程学院 , 长春 130012 ; 2. 大连理工大学电子信息与电气工程学部 , 大连 116023)
摘 要 :阐述了一种基于增量式数字 PID 算法的智
能温度控制器的实现 , 并对数字 P ID 算法及硬件方
案的实现进行了分析 。 通过软硬件的设计 , 完成了
执行器往往是模拟量 , 通过 D /A 转换 , 把输出 的数字量变换成模拟量去驱动执行器 , 由执行器的 动作来改变被控对象的状态 , 达到控制的目的 。 在 许多控制应用场合 , 需要对被控对象状态的变化过 程等记录 、打印 , 需要将操作设定的内容保存 、记录 装置 。有的控 制系统需要进行 集散控制或数 据传 送 , 要通过串行通信进行数据传送或控制 , 要设计串 行口通信 , 以便上位机与下位机之间的通信 。
数据采集模块的任务是负责温度信号的采集以 及将采集到的信号通过 A / D 转换器转化为相应的 数字量提供给单片机 。数据采集 A /D 模块的程序 流程图如图 6 所示 。
图 6 A /D 转换程序流程图
图 5 P ID 智能温度控制器控制框图
3 系统软件设计
3. 1 软件组成 系统的软件主要由主程序模块 、数据采集模块 、
0 引言
温度的检测和控制在理论上发展比较成熟 , 但 在实际测量和控制中 , 如何保证快速实时地对温度 进行采样 , 确保数据的正确传输 , 并能对所测温度场 进行较精确的控制 , 仍然是目前需 要解决的问题 。 自动控制有多种形式 , 有开环控制 、单闭环控制 、串 级回路控制等 ;有许多 实施控制的方 法 , 有顺 序控 制 , 有继电器逻辑控制 , 有比例 、积分 、微分控制(即 PID 控制), 有自适应和模糊控制等 , 而单闭环 PID 控制是应用最广泛的一种控制 。
K p [ e(k)- e(k - 1)] +K Ie(k) +K D [ e(k) -
2e(k - 1) +e(k - 2)]
(3)
式中 :k ——— 取样信号 , 取 0 , 1 , 2 , …;
e(k)——— 第 k 次取样的偏差值 , e(k - 1) 为第
k - 1 次的取样偏差值 ;
u(k)———PID 控制器第 k 次输出值 ;
本系统设计的核心算法为增量式 P ID 算法 , 它 根据本次采样的数据与设定值 进行比较得出 偏差 e(k), 对偏差进行 P 、I 、D 运算 , 利用运算结果控制 脉冲的占空比来实现对双向晶 闸管导通时间 的控 制 , 进而控制加热器的温度 , e(k)可按式(3)求出 。
2 系统硬件设计方案
在 P ID 智能控制器中 , 如何实现 PID 控制是关 键 。一般情况下 , 可应用增量式 PID 控制算法进行 控制 , 系统结构如图 3 所示[ 1 - 2] 。
Hale Waihona Puke 图 3 增量式 P ID 控制系统结构图
增量式 P ID 控制算法的表达式如下 :
Δu(k) = u(k)- u(k - 1) =
K P 、K I 、K D ——— 分别为比例 、积分 、微分系数 ;
Δu(k)——— 第 k 次相对于第k - 1 次的控制量
的增量 。
增量式 P ID 控制算法在控制过程中 , 每次输出
的控制值只是控制的增量 , 执行器每次的变化量较
小 , 使被控对象的参数变化缓 慢 , 控制 系统相对稳
定 , 它的算法程序如图 4 所示 。
为减少体积 , 便于使 用 , 大部分 P ID 智能 控制 都选 用 单片 机 来设 计 , M CS-51 系列 单 片机 中 的
A T 89C52 有 256B 的 内 部 RAM 和 8 kB F lash ROM , 并 且可 以通过 I / O 口 扩展 技术 , 扩展 外界 RA M 和 ROM , 增加单片机的数据存储能力和程序 存储能力 , 是 P ID 智慧控制器的理想的单片机 。
25 /38 8 6-8 9
长春工程学院学报 (自然科学版) 2011 年 第 12 卷 第 3 期 J. Chang chun Inst. T ech.(Na t. Sci. Edi.) , 2011, Vo l. 12 , N o. 3
ISSN 1009-8984 CN 22-1323 /N
一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
(2)
林海波 , 等 :一种基于增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器
87
用 e(k)代替 e(kT ), k 为取样序号 , k =0 , 1 , 2 ,
…。
式中 :e(k)——— 第 k 次取样测得的设定值与反馈值 的定值 ;
u(k)———P ID 调节器第 k 次的输出值 ; e ——— 位置式 PID 数字控制 ;
PID 控制算法在温度控制系统中的应用 。 对温度控
制进行了 LabVIEW 仿真测试 , 仿真结果表明 , 基于
增量式数字 P ID 算法的智能温度控制器具 有较好
的控制效果和较高的准确性 。
关键词 :P ID 算法 ;智能 ;数据采集 ;温度控制
中图分类号 :T P273. 5
文献标志码 :A
文 章 编 号 :1009-8984(2011)03-0086-04
参数的设置 。
1. 2 PID 智能控制器的设计
PID 智能控制器实际上是一个微计算机控制系 统[ 2] , 结构框图如图 2 所示 。
图 2 P ID 智能控制器结构框图
图 2 中 , 单 片机 是 PID 智能 控制器 的主要 部 分 。 A / D 变换器把被控对象的状态通过检 测装置 由模拟量转换为数字量输入 CP U 中 , 作为反馈值 。 面板键盘用于设置控制器的设定值和 P 、I 、D 的参 数 , 直接输入 CP U 。在智能化 PID 控制器中 , 没有 电阻 、电容 、运算放大器等模拟电子元器件组成的运 算电路 , 利用软件对设定值和反馈值直接进行数学 的减法运算 , 得到差值 e 进行调节 , u(k)可按 公式 (2)求出 。
参考文献
[ 1] 何顶新 , 王维 , 徐金 榜 , 等. 温控 系统中 改进 的 P ID 算法 [ J] . 电气传动 , 2007, 37(08) :36 - 39.
PID 控制器主要有模拟 PID 和数字 P ID 之分 。
收稿日期 :2011 - 08 - 25 作者简介 :林海波(1968 -), 男(汉), 长春 , 副教授
主要研究智能信号处理与智能检测 。
模拟 PID 控制器 , 实际上是由电阻 、电容 、运算放大 器构成的模拟电路来实现 PID 运算的功能。而数 字控制器主要是依靠数字计算机来实现的 , 把输入 量与输出量之 间的数学关系通过软件 的运算来完 成 。因此 , 数字 P ID 控制器比模拟 PID 控制器使用 更方便 , 可以实现更完美的控制 。 1. 1 数字 PID 控制器算法
文中智能温度控制器采用单闭环 P ID 控制 , 是 利用基于经典控制理论中 PID 调节器控制原理 , 以 AT 89C52 作为 CP U 芯片 , 选用热敏电阻作为温度 传感器实现的 , 系统尽可能选用典型 、易于替换的芯 片和电路 , 为系统的开放性 、标准化和模块化奠定了 良好基础 。
1 PID 控制器设计