基于數字PID溫度自動控制系統的應用分析

陳樂 張健

摘 要：該文就針對數字PID控制器的基本結構和工作原理進行了簡要分析，然后探討了溫度自動控制系統的具體組成，最后闡述了數字PID控制器在溫度自動控制系統中的實際應用，希望可以對相關研究工作起到積極助推作用。

關鍵詞：數字PID 溫度自動控制系統 原理 組成 應用

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0153-02

PID控制形式不需要對控制系統的數學模型進行求解，算法相對而言比較簡單，而且具有較好的可靠性和魯棒性，在工業生產溫度自動控制系統當中具有良好的運用前景。因此，需要加強對溫度自動控制系統運用數字PID的研究分析，使其能夠在溫度自動控制系統中發揮出更大的作用。

1 數字PID控制器的基本系統結構以及工作原理簡述

1.1 系統結構

從數字PID控制器的硬件組成系統上來看，其是以PLC可編程控制器作為核心的一種控制器，主要構成部分有工控機、溫度控制電路、PLC及控制模塊以及報警電路等組成。

1.2 工作原理

在對系統進行溫度采樣時，往往是在一個采樣周期當中，被控系統在4個采集點的溫度值通過采集器輸入到熱電偶擴展模塊EM231當中。通過PLC模塊錄入溫度值之后，將其溫度均值作為系統控制的實際溫度。然后，再利用熱電偶模塊組成PLC溫度控制系統，通過脈寬調制，就可以進一步獲取繼電器對應的導通時間。由此，通過對繼電器導通時間進行控制，就可以實現風扇或是電爐的工作調控，進而達到控制溫度的效果。

2 溫度自動控制系統主要構成分析

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器可以進一步劃分為熱電偶、熱電阻這兩個部分。熱電偶一般是利用兩個不同的導體閉合組成的回路，這兩個不同的導體在連接點存在不一樣的溫度時，機會使得回路中產生一個熱電動勢，這一現象被稱之為熱電效應。熱電阻就是在溫度自動控制系統中低溫區的一種的常用溫度檢測器，其是以金屬導體的電阻值隨熱變化的特性進行設計的。基于這一特性，就可以根據熱電阻溫度的變化情況，判斷出該區域溫度的變化情況。

2.2 調節單元

在測量所得的溫度信號經過轉換處理之后，就會被傳輸給調節器。調節器在接受到對應的溫度信號之后，就會將其和系統的預設溫度進行對比，以此根據對比結果下達對應的指令，從而對風扇或是電爐形成調節。

2.3 執行單元

一般情況下，執行單元主要是由可控硅電路和噴水裝置或是加熱裝置聯合構成的，在系統監測到溫度變化之后，若是其超過預設溫度，比較電路當中就會產生一個對應的放大電路信號，通過可控硅電路導通，驅動對應裝置進行運轉工作。當溫度達到預期目標會后，又會是放大電路產生的信號逐漸弱化，使其不足以支撐可控硅電路的導通，進而就使得相關裝置停止工作，以避免溫度繼續出現變化。

3 基于數字PID溫度自動控制系統的溫控算法

3.1 數字化PID控制器

要實現PID溫度自動控制系統的設計，可以通過PLC對模擬量實現PID控制，

一般情況下，PID的連續系統控制規律，是進行設計的基礎，這也就需要將數字化寫成相應的離散控制方程。在這之后，就可以在離散方程的基礎上，進行控制程序的設計。從連續系統說來，可以根據輸入輸出的相關關系對PID控制的關系進行表示，具體的表達方程為：即

在該式中，TD表示微分時間常數，TS表示積分時間常數，KC表示比例系數。PID控制器的輸出量用M（t）表示，輸出的初始值利用Mo表示，被控變量與給定值之間的誤差信號使用e（t）表示。將該式中的各項隨意取出一個或是兩個，那么就可以組成P、PI或是PD控制器。要是在設置采樣周期的時候將周期值設為TS，將系統進行運行的初始時刻設定為t=0，如此就可以進一步使用差分近似得出微分，使用矩形積分近似得出積分。通過這樣的方法，就可以實現上述計算式的離散化，進而獲取第n采樣的輸出形式。PID表在計算PID之前需要進行預先設立，其就是把給定值當做過程變量進行輸入，可以利用PID指令在回路中進行讀取，但是不得對其進行改寫。

3.2 轉換輸入輸出變量

在輸入這個方面，將A/D轉換后得到了整數值，通過16位整數轉換為浮點數。此后，需要進一步將得到的實數轉化為0.0～1.0之間的標準化實數。與此同時，對過程變量和給定值展開標準化處理。最后，需要將得到的雙極性實數進行轉換，使其成為處于0.0～1.0之間的實數。

在輸出這個方面，也就是PID控制器的輸出，一般情況下其輸出量是處于0.0～1.0之間的標準化實數。而在回路輸出信號傳輸到A/D之前，必須將其轉化，使其成為16位的二進制整數。可以看出，這個過程和輸入的轉換是剛好相反的，所以在程序的設置上也是相反的。

3.3 參數整定

對參數進行整定，才藝采取擴充臨界比例算法的方法進行，通過PLC自整定PID功能，對TD、TS和KC的值進行整體，采樣時間可以設定為TS=0.5 s，這樣就可以得出PID控制器對應的增益系數，及KC=8，而對應的積分時間常數則為0.75 s，對應的微分時間常數則為0.953 s，具體的響應曲線如圖1所示。

從圖1中可以判斷得出，在經過幾個采樣周期的調整之后，溫度自動控制系統的狀態達到穩定，基本上處在控制范圍的中心位置，控制效果非常良好。

3.4 比較分析

通過該文論述而言，數字PID控制算法是通過基礎的PLC控制模塊對被控對象進行控制，就可以進行PID控制。由于核心環節在于溫度采樣，根據采樣時刻的偏差值對控制量進行計算。所以，連續PID算法需要在離散化的狀態下才能夠進行使用，而不能直接連續使用。在傳統的PID控制形式當中，系統在增減設定、結束或是啟動時，會在短時間內是系統產生較大的偏差，進而使得控制系統出現較大超調的問題，嚴重時候可能使系統出現振蕩，增大了調節時間。而溫度自動控制系統的要求不斷升高地情況下，調節器進入深度飽和狀態的幾率逐漸增大，因此就不允許產生這種問題。所以，數字PID在溫度自動控制系統設計中的應用更加重要。

4 結語

溫度自動控制系統在工業生產中的運用越來越廣泛，其對工業生產的促進作用也越來越突出。所以，需要對數字PID加強研究，明確其系統構成和工作原理，理解溫度自動控制系統的基本構成，將數字PID切實運用到溫度自動控制系統的設計當中，不斷提升溫度自動控制系統的控制水平。

參考文獻

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