PID算法在温度控制系统的应用

龙卓群 王天任 西安航空学院电子工程学院

1 系统设计方法

采用PID控制的方法是首先设定一个温度定值，经过单片机处理转换为跟温度值相对应的数字信号，再通过数模转换器使得数字信号转换为相对应的模拟信号也就是与之对应的电压值，这个电压值跟温度传感器所得出的信号进行比较就会产生一定的误差，经过相应的PID整定之后，就会得到一个根据误差得来的控制量输给电路单元，由此就构成了反馈系统。同时实际的电压值就会由数模转换器转换为电压信号控制相应的触发电路，进行电路的通断操作，这样就可以通过调节加热时间达到温度可控的目的。

2 硬件电路设计

2.1 温度测量电路

温度测量是整个系统中的重要部分，它的品质好坏影响整个系统的稳定程度。传统的温度测量是采用传感器来测量温度，温度传感器选择一个比如AD590，它的工作原理是把测量的温度转换成电信号，此时转换的是模拟信号，然后再通过模数转换转换成数字信号，这样单片机才能够对采集到的信号进行处理，但是这种方法很复杂，干扰也很大，像外界杂波的干扰，使得系统稳定性很难保证。数字型温度传感器测量的温度范围是-55℃～+125℃。

2.2 加热控制电路

加热控制电路是在整个系统中对系统进行控制，控制的对象是提供热源的电炉丝，控制方式是对电炉丝两端的电压进行通断控制，以此方式来实现加热功率的调整，这样就能实现对整个系统温度的控制。电炉丝两端电压通断控制采用的是继电器的方式，控制方式简单易行，只要在两端加上高低电平就能实现继电器的通断，此外还要在电路中加入三极管构成射极输出器，这样能将输入的电流进行放大。

3 程序设计

3.1 PID原理

PID控制的原理说到底就是误差控制，对系统的偏差信号进行比例、积分、微分计算，之后在计算的基础上形成一定的控制律输出：

为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数

PID控制器的参数该如何设置是整个控制系统的难点，这里我们是根据被控对象的特性来确定的。

3.2 计算程序

计算机处理的不是模拟信号而是数字信号，假定采样周期为T，第n次的误差为en，且en=r(n)=C(n)，输出为u(n)，PID算法用的微

递推表达式为：∆un=un-un-1=Pp+Pi+Pd

其中：

PID控制在计算的时候需要的数据知识当前时刻的误差en以及en-1和en-2，也就是之前的两个时刻的误差值。初始状态设置为en-1=en-2=0，根据采样来的数据以及设定好的参数Kp、Kd、Ki以及en、en-1和en-2计算∆un。看输出的控制量∆un如何变化，可求出本次控制输出为：un=un+1+∆un=un-1+Pp+Pi+Pd。

4 结论

如何进行系统准确性的验证就要采用仿真的方法进行，利用MATLAB的simulink子系统进行仿真。闭环调节用一个一阶滞后环节来近似，这样可得到PID的参数值，当Kp=0.03、Ki=0.029、Kd=0.008时，系统几乎没出现超调，调节时间为30秒左右，响应性也很可观。

从仿真结果得知所设计的恒温控制系统能够满足我们各项要求，结构上不复杂，实现起来容易，响应性快以及成本小，是我们期望设计的理想系统。