单回路温度定值控制系统
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哈尔滨华德学院课程设计用纸
第 4 章 控制算法选择及参数整定
4.1 控制算法选择
根据温度单回路控制系统的原理，实现 PID 控制算法。由于 采用 AI-818 人工智能温控器/调节器，所以采用增量式 PID 算法。
所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 Δuk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数 值时，可以使用增量式 PID 控制算法进行控制，其公式如下：
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第 3 章 硬件设计和器件选择
3.1 电气接线图
温度变送
温度控制对象 脉宽调制
1
0~5V
2
0~10V
250欧 姆 250欧 姆
7
5
0~10V
250欧姆 250欧姆
图 3：调节器与温度模块接线图
3.2 器件选择 3.2.1 控制器
用于调节 PID 算法的控制器选择 AI818
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目录
第１章 绪论............................................................................... - 1 1.1 设计要求.................................................................... - 1 1.1.1 设计题目和设计指标............................................ - 1 1.1.2 设计功能................................................................ - 1 -
第２章 系统总体设计方案..................................................... - 2 2.1 工艺流程图................................................................... - 2 2.2 方框图工作流程介绍................................................... - 2 -
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5.2 控制器面板说明
PV: 测量值显示窗；
SV：给定值显示窗
OUT：调节输出指示灯；
AL1： 报警 1 指示灯；
AL2： 报警 2 指示灯；
AUX: AUX 辅助接口工作指示
灯；
A/M 键：数据移位
：显示转换(兼参数设置
进入)；
：数据减少键（兼程序运
行/暂停
结论
本设计研究了智能温度控制，系统 AI818 为控制器，运用了 PID 算法对水温度进行控制。
本设计的系统虽说成功的实现了锅炉内部的恒温控制，但在 系统的设计中也存在一些问题，如：PID 参数的整定，对 PID 参 数进行整定的时候，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数 的自整定需要花很长的时间，但在组员的共同努力下，最终调出 比较好的 PID 值，完成设计。
控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应
达到临界状态，这时记下比例系数 Ku、临界振荡周期为 Tu，根据
Z－N 提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控
制器的参数，如表所示。
控制器类型 Kp
Ti
Td
P
0.5Ku
PI
0.45Ku
0.85Tu
PID
0.6Ku
0.5Tu
0.12Tu
4.2.2 临界比例法
在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大 逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的 比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为 临界振荡周期 Tu。Ku 临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间 Ti 置于最大（Ti=∞），微分时间置零 （Td=0），比例系数 Kp 适当，平衡操作一段时间，把系统投入自 动运行。 2、将比例系数 Kp 逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例 系数 Ku 和临界振荡周期 Tu 值。
1.1.2 设计功能
设计一个单回路温度控制系统，实现温度定值控制；确定设 计方案，选择检测变送器、控制器、 执行器，确定控制器算法， 并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动 手能力。
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第２章 系统总体设计方案
2.1 工艺流程图
给定值 TC
温
检
TT
加热器
3.2.2 温度传感器
测量水温的传感器采用热电阻 Cu50。热电阻 Cu50 在—50～ 150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大， 测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。系统采 用三线制 Cu50，温度信号经过变送单元转换成 4～20mADC 电流信 号，便于采集。
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如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 T，一旦确定 A、B、C， 只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增 量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法相比，计算量小的多，因此 在实际中得到广泛的应用。
4.2 参数整定
控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间 Ti、 微分时间 Td 和采样周期 Ts 具体数值。整定的实质是通过改变调 节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和 静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，
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3、根据 Ku 和 Tu 值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即 Kp、Ti 和 Td 的值。按“先 P 再 I 最后 D”的操作程序将调节器整 定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。 临界比例度法整定注意事项： 有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制， 调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程控制系统，当调节器比例系数 Kp 调到最大刻度值时，系 统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度 Ku 作为临界 比例度进行调节器参数整定。
这种临界比例法使针对模拟 PID 控制器，对于数字 PID 控制器，
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只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。在电动机的控制中， 可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础 上，用凑试法进一步完善。
表中的控制参数，实际上是按衰减度为 1/4 时得到的。通常 认为 1/4 的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。如果要求更大的衰 减，则必须用凑试法对参数作进一步的调整。
操作）；
：数据增加键（兼程序停止操作）。
5.3 调节器参数设置：
图 1 调节器面板
Sn 输入规格：Sn=34，0-5V 电压输入； Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定，Ctrl=3， 整定结束； dip 小数位数：dip=0，小数点位数为 0； op1 输出方式：op1=2，0～20 mA 线性电流输出； CF 系统功能选择：单回路控制 CF=2； Run 运行状态选择： run=2，自动调节状态。
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归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论 计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试 法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整 定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统 中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。
4.3 MATLAB 仿真
在 PID 未整定前得：
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整定后： 使用 MATLAB 软件将上图画图，根据 PID 算法和参数整定后得到的 PID 数值输入 PID 控制器，
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进行仿真，得到下图所示的结果
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第１章 绪论
1.1 设计要求 1.1.1 设计题目和设计指标
设计题目：智能温控系统设计 设计指标：1）设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框
图； 2）能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控
制方案； 3) 根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选
择、执行器选择； 4) 合理选择 PID 参数。 5) 撰写设计说明书及注意事项。
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心得和体会
为期两周的课程设计结束了，经过这次课程设计，使我的理 论知识得到加强，动手能力也得到了提升，可以得到相应的结合， 在课设过程中我们也遇到了许多问题，这需要我们努力地思考和 认真的对待并解决问题，这是一个很好的学习过程，可以更加清 晰地记住相关知识，起到了积累的作用，更重要的是团队协作完 成了课程设计。
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3.2.3 加热器
采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电 阻丝的发热功率，输入控制信号为 4—20mA 标准电流信号，其移 相触发与输入控制电流成正比。输出交流电压来控制加热器电阻 丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。输入 4mA 电流时，加热 器电阻丝的两端电压为 0V，输入为 20mA 电流时，加热器电阻丝 的两端电压为 220V。
致谢
在这次毕业设计中，感谢刘洋老师的悉心指导，感谢组员的 讨论得出方案，感谢同学们的帮助我们解决相关问题，使得我们 组完成设计。
参考文献
邵裕森主编、过程控制工程（第二版）、机械工业出版社 梅晓榕主编、自动控制原理（第二版）、科学出版社
附录一元件清单Hale Waihona Puke Baidu
控制器：AI818； 变送器：热电阻 Cu50； 执行器：电阻丝
4.2.1 凑试法
按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。 置调节器积分时间 Ti=∞，微分时间 Td=0，在比例系数按经验设 置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数。求 得满意的 1/4 衰减度过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上 述比例系数 Kp 设置为 5/6 Kp）。将 Ti 由大到小进行整定。 若 需引入微分作用时，则将 Td 按经验值或按 Td=（1/3～1/4）设置， 并由小到大加入。
第 5 章 系统软件设计
5.1 控制器介绍
AI-818 人工智能温控器/调节器 除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、 热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安 装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外 接 Cu50 铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1 级测量精度，温漂小于 30PPm/℃。 除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能， 可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。 模块化输出支持 SSR 电压、线性电流（电压）、继电器触点开 关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发 输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。 除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能， 可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。 具备 MPT、AI 人工智能调节 APID 等多种调节方式，具有自 整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用 位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数 PID 可支持加热/冷却双 输出功能。 先进的 AIBUS 通讯协议：支持 RS485 或 RS232C 通讯接口， 配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制 系统，亦可组成 AI 系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。 支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并 可自由定义 4 个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输 出。具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。 可选用的面板尺寸：A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。
控
制
器
图 1:工艺流程图
2.2 方框图工作流程介绍
给定值 +一
PID 控制器
电阻丝 加热器
水温检 测
加热罐水 温
输出值
图 2：温度单回路系统结构框图
系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行 比较，e 是否为 0，如果为 0 直接输出，如果不为 0，控制器进行 PID 计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令， 从而达到温度稳定。
4.2.3 经验法
用凑试法确定 PID 参数需要经过多次反复的实验，为了减少
凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的
要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验
公式，用这些基准参数导出 PID 控制参数，这就是经验法。
临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例
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第 4 章 控制算法选择及参数整定
4.1 控制算法选择
根据温度单回路控制系统的原理，实现 PID 控制算法。由于 采用 AI-818 人工智能温控器/调节器，所以采用增量式 PID 算法。
所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 Δuk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数 值时，可以使用增量式 PID 控制算法进行控制，其公式如下：
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第 3 章 硬件设计和器件选择
3.1 电气接线图
温度变送
温度控制对象 脉宽调制
1
0~5V
2
0~10V
250欧 姆 250欧 姆
7
5
0~10V
250欧姆 250欧姆
图 3：调节器与温度模块接线图
3.2 器件选择 3.2.1 控制器
用于调节 PID 算法的控制器选择 AI818
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第１章 绪论............................................................................... - 1 1.1 设计要求.................................................................... - 1 1.1.1 设计题目和设计指标............................................ - 1 1.1.2 设计功能................................................................ - 1 -
第２章 系统总体设计方案..................................................... - 2 2.1 工艺流程图................................................................... - 2 2.2 方框图工作流程介绍................................................... - 2 -
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5.2 控制器面板说明
PV: 测量值显示窗；
SV：给定值显示窗
OUT：调节输出指示灯；
AL1： 报警 1 指示灯；
AL2： 报警 2 指示灯；
AUX: AUX 辅助接口工作指示
灯；
A/M 键：数据移位
：显示转换(兼参数设置
进入)；
：数据减少键（兼程序运
行/暂停
结论
本设计研究了智能温度控制，系统 AI818 为控制器，运用了 PID 算法对水温度进行控制。
本设计的系统虽说成功的实现了锅炉内部的恒温控制，但在 系统的设计中也存在一些问题，如：PID 参数的整定，对 PID 参 数进行整定的时候，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数 的自整定需要花很长的时间，但在组员的共同努力下，最终调出 比较好的 PID 值，完成设计。
控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应
达到临界状态，这时记下比例系数 Ku、临界振荡周期为 Tu，根据
Z－N 提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控
制器的参数，如表所示。
控制器类型 Kp
Ti
Td
P
0.5Ku
PI
0.45Ku
0.85Tu
PID
0.6Ku
0.5Tu
0.12Tu
4.2.2 临界比例法
在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大 逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的 比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为 临界振荡周期 Tu。Ku 临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间 Ti 置于最大（Ti=∞），微分时间置零 （Td=0），比例系数 Kp 适当，平衡操作一段时间，把系统投入自 动运行。 2、将比例系数 Kp 逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例 系数 Ku 和临界振荡周期 Tu 值。
1.1.2 设计功能
设计一个单回路温度控制系统，实现温度定值控制；确定设 计方案，选择检测变送器、控制器、 执行器，确定控制器算法， 并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动 手能力。
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第２章 系统总体设计方案
2.1 工艺流程图
给定值 TC
温
检
TT
加热器
3.2.2 温度传感器
测量水温的传感器采用热电阻 Cu50。热电阻 Cu50 在—50～ 150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大， 测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。系统采 用三线制 Cu50，温度信号经过变送单元转换成 4～20mADC 电流信 号，便于采集。
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如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 T，一旦确定 A、B、C， 只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增 量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法相比，计算量小的多，因此 在实际中得到广泛的应用。
4.2 参数整定
控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间 Ti、 微分时间 Td 和采样周期 Ts 具体数值。整定的实质是通过改变调 节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和 静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，
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3、根据 Ku 和 Tu 值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即 Kp、Ti 和 Td 的值。按“先 P 再 I 最后 D”的操作程序将调节器整 定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。 临界比例度法整定注意事项： 有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制， 调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程控制系统，当调节器比例系数 Kp 调到最大刻度值时，系 统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度 Ku 作为临界 比例度进行调节器参数整定。
这种临界比例法使针对模拟 PID 控制器，对于数字 PID 控制器，
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只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。在电动机的控制中， 可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础 上，用凑试法进一步完善。
表中的控制参数，实际上是按衰减度为 1/4 时得到的。通常 认为 1/4 的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。如果要求更大的衰 减，则必须用凑试法对参数作进一步的调整。
操作）；
：数据增加键（兼程序停止操作）。
5.3 调节器参数设置：
图 1 调节器面板
Sn 输入规格：Sn=34，0-5V 电压输入； Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定，Ctrl=3， 整定结束； dip 小数位数：dip=0，小数点位数为 0； op1 输出方式：op1=2，0～20 mA 线性电流输出； CF 系统功能选择：单回路控制 CF=2； Run 运行状态选择： run=2，自动调节状态。
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归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论 计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试 法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整 定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统 中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。
4.3 MATLAB 仿真
在 PID 未整定前得：
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整定后： 使用 MATLAB 软件将上图画图，根据 PID 算法和参数整定后得到的 PID 数值输入 PID 控制器，
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进行仿真，得到下图所示的结果
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第１章 绪论
1.1 设计要求 1.1.1 设计题目和设计指标
设计题目：智能温控系统设计 设计指标：1）设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框
图； 2）能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控
制方案； 3) 根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选
择、执行器选择； 4) 合理选择 PID 参数。 5) 撰写设计说明书及注意事项。
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心得和体会
为期两周的课程设计结束了，经过这次课程设计，使我的理 论知识得到加强，动手能力也得到了提升，可以得到相应的结合， 在课设过程中我们也遇到了许多问题，这需要我们努力地思考和 认真的对待并解决问题，这是一个很好的学习过程，可以更加清 晰地记住相关知识，起到了积累的作用，更重要的是团队协作完 成了课程设计。
哈尔滨华德学院课程设计用纸
3.2.3 加热器
采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电 阻丝的发热功率，输入控制信号为 4—20mA 标准电流信号，其移 相触发与输入控制电流成正比。输出交流电压来控制加热器电阻 丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。输入 4mA 电流时，加热 器电阻丝的两端电压为 0V，输入为 20mA 电流时，加热器电阻丝 的两端电压为 220V。
致谢
在这次毕业设计中，感谢刘洋老师的悉心指导，感谢组员的 讨论得出方案，感谢同学们的帮助我们解决相关问题，使得我们 组完成设计。
参考文献
邵裕森主编、过程控制工程（第二版）、机械工业出版社 梅晓榕主编、自动控制原理（第二版）、科学出版社
附录一元件清单Hale Waihona Puke Baidu
控制器：AI818； 变送器：热电阻 Cu50； 执行器：电阻丝
4.2.1 凑试法
按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。 置调节器积分时间 Ti=∞，微分时间 Td=0，在比例系数按经验设 置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数。求 得满意的 1/4 衰减度过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上 述比例系数 Kp 设置为 5/6 Kp）。将 Ti 由大到小进行整定。 若 需引入微分作用时，则将 Td 按经验值或按 Td=（1/3～1/4）设置， 并由小到大加入。
第 5 章 系统软件设计
5.1 控制器介绍
AI-818 人工智能温控器/调节器 除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、 热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安 装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外 接 Cu50 铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1 级测量精度，温漂小于 30PPm/℃。 除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能， 可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。 模块化输出支持 SSR 电压、线性电流（电压）、继电器触点开 关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发 输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。 除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能， 可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。 具备 MPT、AI 人工智能调节 APID 等多种调节方式，具有自 整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用 位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数 PID 可支持加热/冷却双 输出功能。 先进的 AIBUS 通讯协议：支持 RS485 或 RS232C 通讯接口， 配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制 系统，亦可组成 AI 系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。 支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并 可自由定义 4 个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输 出。具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。 可选用的面板尺寸：A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。
控
制
器
图 1:工艺流程图
2.2 方框图工作流程介绍
给定值 +一
PID 控制器
电阻丝 加热器
水温检 测
加热罐水 温
输出值
图 2：温度单回路系统结构框图
系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行 比较，e 是否为 0，如果为 0 直接输出，如果不为 0，控制器进行 PID 计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令， 从而达到温度稳定。
4.2.3 经验法
用凑试法确定 PID 参数需要经过多次反复的实验，为了减少
凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的
要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验
公式，用这些基准参数导出 PID 控制参数，这就是经验法。
临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例