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℃ （其它指标略） §2：控制器硬件 （参考原理图） 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 (原理图) I_OUT=KI*∑(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 ∑(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; //∑(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) ①T_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 ②KP( 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. ③KC(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 ④KI(积分系数) KI 的选取与T_c和积分时长有关,回过头看源程序单片机编程100例详解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 ⑤KD(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. 这里我介绍一个站长编写的并已成功应用的调试软件HUANENG.EXE 专用于串行口数据分析绘图，可同时描绘8条曲线，（VC编写） 使用非常简单，只需在上面源程序中pid()函数末尾加上几行数据打印输出的语句 比如： printf("CH0=%x\nCH1=%x",T_real,PWM); 通过串行口接到计算机,打开该软件即可.界面如下图 统调中记住:增大KP，会加快系统响应，减小静差，但超调量增大，稳定性变差. 减小KI，削弱积分作用，系统超调量变小，但消除静差的时间长. 增大KD,可减小超调量，稳定性好，但系统响应速度变慢. |
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