PID温度控制实验指导

计算机温度PID控制实验指导
通过前面实验中软件的学习与应用，我们以温度控制为例，完成计算机温度PID控制实验，通过此实验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制、计算机控制等专业知识的理解。

(1)以下为计算机温度PID控制实验的实验步骤：
1、连接YL系列温度测量控制仪的电源，打开电源开关，将“加热方式”、“冷却方式”均拨至“外控方式”，加热手动调节逆时针旋转至最左端且关断。

此时可选用K型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，另外两端的传感器输出线分别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（—）端，同时将面板中标准信号输出V O 用实验线接至主控箱面板的多功能数据采集控制器的A/D输入端（8个通道可任选），例如接第0通道。

2、此时在软件界面中实验名称选择中选中“温度控制系统”，选择调节规律为“PID控制”，设置“设定值”、“采样周期”（温度系统参考为1S）、“比例系数”、“积分时间”、“微分时间”的参数值，在下面“温度控制”一栏中选择传感器标准信号的输入通道。

3、用实验线连接主控箱的D/A第0通道（4个通道可任选）至YL系列温度控制仪的加热控制输入端。

4、用实验线连接主控箱的DO第0通道（4个通道可任选）至YL系列温度控制仪的冷却控制输入端。

具体连线如下：
YL系列温度测量控制仪端连线与多功能数据采集控制器端对应：
多功能数据采集控制器端与YL系列温度测量控制仪端的连线对应。

5、在“温度控制”栏中正确选择通道号，检查连线正确后，点击栏内“确定”按钮，则根据参数执行计算机PID控制程序。

下图为温度设定值为40ºC时设置界面：
6、观察温度控制的效果如何。

根据控制规律可设置不同的P、I、D参数，
以达到最佳的控制效果，并且每次的实验数据被保存，同时可以观察曲线和打印
曲线。

具体的曲线数据可通过菜单“数据操作” “查询结果”查看数据结果。

(2)思考题
1. 比例、积分、微分在计算机温度PID控制实验中的作用以及各系数对控制效果的影响。

2. 温度源中风扇的作用是什么？
附录：
PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID
控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

P 、 I 、 D 参数的预置与调整
比例增益 P
变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。

解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。

比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。

任何一种变频器的参数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P 可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。

积分时间
如上所述．比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。

为此引入积分环节 I ，其效果是，使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。

但积分时间 I 太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。

因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。

微分时间 D
微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。

D 的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。

P 、 I 、 D 参数的调整原则
P 、 I 、 D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益P 。

被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 。

PID控制器调试方法
比例系数的调节
比例系数P的调节范围一般是：0.1--100.
如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。

如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。

可见该值越大，比例产生的增益作用越大。

初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。

过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。

合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。

积分系数的调节
积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。

积分时间设为 1秒，则输出变化100%所需时间为 1 秒。

初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。

微分系数的调节
微分值是偏差值的变化率。

例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。

大部分控制系统不需要调节微分时间。

因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。

如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。

如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。

初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。