一个实用的单片机PID方式控温实例
§1:基本情况
本例中控制对象是一款小型专用工业烘箱
要求恒温范围: 室温--300℃
恒温精度: ±1℃
§2:控制器硬件
1) 单片机 采用(C51系列)TI公司的MCS1210Y4(内部有8通道24位AD转换器)串行口在线编程。
2) 前向通道 温度信号(来自烘箱的Pt100电阻信号)经INA118放大送入AD通道CH0。
3) 后向通道 I/O口驱动光耦MOC-3061,再驱动大功率双向可控硅输出。
4) 键盘 up 递增按钮和down 递减按钮,设置目标温度。
5) LED(3位)显示温度值(软件切换显示目标温度或采样温度)。
6) 电源 +5V单电源。
§3:软件介绍(由C语言编写)
1) 流程 采样当前温度--PID运算--PWM(占空比式)输出
2) 温度采样:
采样周期是一个很重要的参数,其确定取决于烘箱的固有响应特性参数(比如纯滞后时间θ以及响应时间常数τ)一般值在4--20秒之间(例中取16秒)
3) PID运算
每采样一次之后进行一次PID运算,得到一个输出量,供输出函数调用.为了下面叙述方便先定义几个变量:
定义:
T_target 表示目标温度
T_real 表示当前温度
T_diff 表示当前温差,并且T_diff=T_target-T_real
PID运算表达式如下:
PWM_OUT=P_OUT+I_OUT+D_OUT+P_H;(求代数和)
其中:
P_OUT=KP*(T_diff)称为比例项,KP是比例系数,比例项的作用是纠正偏差。比例项输出等于比例系数乘当前温差。
I_OUT=KI*Σ(diff)称为积分项,KI是积分系数,积分项用于消除系统稳态误差,Σ(diff)含义是由当前算起前面N次采样温差的和(例中N取20)。
D_OUT=KD*Δdiff称为微分项,KD是微分系数,微分项用于减小系统超调量,增加系统稳定性。Δdiff=当前温差-上次温差)。
P_H=KC*(T_target)称为维持功率项,达温后(其它项均趋于0)此项起抵消散热维持温度的作用,可增加系统稳定性.
KC是维持功率系数,如果约定满功率值为100,停止输出功率值为0,那末PWM_OUT的取值范围就确定为0--100主要是为了后面编制输出函数时方便简明,直接调用PWM_OUT作为输出占空比的百分数,后面整定系数时就要兼顾PWM_OUT的取值范围。
§4.源程序(部分)
#define KP 3.0 //比例系数
#define KI 0.3 //积分系数
#define KD 200.0 //微分系数
#define KC 0.1 //维持功率系数
#define T_c 16 //采样周期(单位:秒)
sbit pid_port=P3^5; //控制输出端口
float T_target=0; //目标温度
float T_real=0; //当前温度
float PWM=0; //输出控制量
bit read_AD_enable=0; //PID运算允许标志位
//T0定时器初始化
void Timer0_Init()
{
TMOD|=0x01;
TF0 =0;
TR0 =1;
IE |=0x02;
}
//读取AD 转换值并刻度
void read_AD(void)
{
int delta_ad;
unsigned char ad[3];
ad[0]=ADRESH;
ad[1]=ADRESM;
ad[2]=ADRESL;
delta_ad=ad[0]*0x100+ad[1]-0x23cb;
if(delta_ad<=0)delta_ad=0;
T_real=(float)delta_ad/70;
}
//*--------PID运算函数
void pid(void)
{
static float diff[20]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
static float sum_diff=0; //Σ(diff)
static int curr_=0;
float p_out,i_out,d_out,temp;
float pwm_0;
temp=diff[curr_];
if(curr_+1>=20)curr_=0;
else curr_+=1;
sum_diff-=diff[curr_];
diff[curr_]=T_target-T_real;
sum_diff+=diff[curr_];
p_out=KP*diff[curr_]; //比例项输出
i_out=KI*sum_diff; //积分项输出
d_out=KD*(diff[curr_]-temp); //微分项输出
pwm_0=KC*T_target; //维持功率项
if(i_out>100)i_out=100; //积分分离
if(i_out<-100)i_out=-100;
PWM=p_out+i_out+d_out+pwm_0; //总输出量
if(PWM<0)PWM=0;
else if(PWM>=100)PWM=100;
}
// 输出函数
void PWM_OUT(float PWM)
{
static unsigned char t=1; //t=(1--100)周期为4秒
unsigned char limit; //pid_value输出百分比
limit=(unsigned char)PWM;
if(t<=limit)pid_port=0; //加热
else pid_port=1; //停止加热
t++;
if(t>100)t=1;
}
/**************************************************/
//T0中断服务程序
void Timer0_ISR() interrupt 1 using 1
{
static unsigned int x=0;
TH0=(28672)>>8; // 11.0592MHz,interval 40mS
TL0=(28672+20)&0xff; // +20 compensate
TF0=0;
if((x++)>(T_c*25))
{
x=0;
read_AD_enable=1;
}
PWM_OUT(PWM); //可控硅输出
}
/****************************************************
主程序
----------------------------------------------------*/
void main (void)
{
//-------程序初始化(略)
while (1)
{
if(read_AD_enable==1)
{
read_AD_enable=0;
read_AD();
pid();
}
}
}
§5.参数的整定(这大概是最困难而且费时的事)
1) T_c(采样周期)
单从控制精度上考虑,T_c当然是越小越好,但过小占用处理器的运算时间会加长,从而导致系统成本增加,例中主要考虑被控对象的时间常数τ和纯滞后时间θ,下面用扩充响应曲线法求取τ及θ.
a. 使系统处于开环,手动直接在被控对象输入端加一个阶跃信号描绘出响应曲线(如图)
b. 在响应曲线的最大斜率处作切线即可得到θ和τ
c. 选择T_c,当θ占主导地位时,应尽量使θ为T_c的整倍数,如 θ=2T_c 或θ=T_c ,当θ比T_c小得多时,可取T_c= τ/10
2) KP( 比例系数)
先定为1,做一个简单的只有比例调节的函数,使系统工作于闭环,T_target 定在150℃(恒温范围的中间值)纪录响应曲线,如果曲线没有出现振铃则可能是KP偏小,调整KP,使曲线出现轻微振铃.反之振铃幅度过大,则可能是KP偏大.
3) KC(维持功率系数)
借用§5.②中的曲线(如下图),根据图中所示由KC*150=PWM_H 导出KC。
4) KI(积分系数)
KI 的选取与T_c和积分时长有关,回过头看源程序PID运算函数中有一个静态数组,记录过去t时刻到当前的各个温度采样值.每一次采样之后都要更新(淘汰掉最早的采样值,加入当前采样值).
积分时长=T_c*采样个数(即数组大小[SIZE]),积分时长的选择一般使它大于纯滞后时间θ即可,反过来通过T_c和θ可以确定数组的大小[SIZE],接着套用下式就可以大致确定KI了。KI*SIZE=10%*满功率值。
5) KD(微分系数)
KD取值大致为纯滞后时间θ(比如θ=200秒,KD先取200,后根据实验在调整),以上的步骤可能要反复进行多次,各个系数也要作相应的调整.
PID.rar_PID 温度_PID温度_PID温度 控制_pid 温_温度PID
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2022-09-24
02:37:23
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邓凌佳
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