温度PID控制参数整定

对于温度控制系统参数的整定过程及方法，搜索了很多论坛，大家都只提到PID数学原型，很少看到有实验过程及Kp,Ki,Kd参数的整定过程及方法，这2天闲着没事，来做个温度控制实验，并将一些实验过程写上来，我也是正在摸索阶段，希望大家踊跃发言哟，各位有好的建议尽管提出来，然后我来实验，将实验数据整理上来，希望对于以后想做温度控制的朋友有所帮助

硬件：

1。用可控硅控制200W加热丝，对一铁块(重量2斤)加热，用K型热电偶采集温度，采用MAX6675做温度转换，可以到0。25度的精度，并且外围很简单，很容易与CPU对接，采用SPI通信，读取当前的温度值

2。过零检测电路，将交流信号全波整流后得到的波形去控制NPN管，将信号整形后接到CPU外部中断脚，为系统提供基准时间，所以CPU中断的频率是100HZ

实验目标：

在100度到200度内可对任意设定的温度恒温，精度先做到+/-1度吧

基本的控制实现方法：

因为是对加热的铁块温度进行控制，属于滞后效应系统，所以采样周期先定为5秒（这里指的是PID计算的周期，注意我的温度采样是时时的），所以CPU外部中断次数为500次，对应的PID计算结果输出为0~500，就是说把这5秒钟划分为500等份，根据计算的结果来决定在这5秒钟内应该加热多少等份

软件：

采用PID控制方法，我先采用位置式输出方式，公式原型：u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2) + ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]，这里先做基本的PID算法，达到控制目标后再来优化算法提高恒温精度，考虑到实验温度过高实验时间会过长，所以我先定目标控制温度为110度，等控制好了再看其他温度会达到多少精度，为了提高加热速度提前20度开始PID控温

下面是调节参数的过程及数据：

参照网上一些方法，先确定Kp，即令Ki，Kd=0，只用比例调节，得到一个稳定的越接近控制目标的震荡参数，然后根据这个Kp和震荡周期来计算Ti，Td，

第1次：Kp=2.5，测试数据如下见图片：Y坐标为温度值，放大了10倍，X坐标为时间每5秒一个点，

第2次：Kp=5

第3次：Kp=8。5，这次的测试时间比较长，因为比较接近稳定震荡了，图片如下：

第4次：Kp=9，从图片已经基本稳定，下次再测试一下9.3这个值

第5次实验结果，Kp=9.3，从图上分析，震荡幅度稍比9的大点，但是上下幅度比较均匀，所以先确定Kp为9~9.3之间

现在整理了一下Kp=9和Kp=9.3的震荡周期，图片分析如下

从数据看震荡周期基本都是48~43个点，每个点是5秒，所以震荡周期为225秒

接下来根据下面典型参数计算表：

Ziegler-Nichols参数

控制器 Kp Ti Td P 0.50*Kc / /

PD 0.65*Kc / 0.12*Pc PI 0.45*Kc 0.85*Pc /

PID 0.65*Kc 0.5*Pc 0.12*Pc

我先做PD实验：

根据临界增益KC=9.2 震荡周期Pc=225秒，计算出Kp=5.98，Td=27秒，公式Kd=Kp*Td/T=5.98*27/5=32.392 实验结果出来了，见下图

从图片数据分析最终稳定温度为：109度，上下波动为0。5度，而我的设定目标温度为110，说明这里引入了2度的稳太误差

需要加入积分调节器才能消除这个稳态误差

计算Ti=112.5秒，根据公式：Ki=Kp*T/Ti=5.98*5/112.5=0.265

下面加入PID调节，看实验结果如何？

下面是加入积分分离法的PID算法实验结果

从图中数据看出已经符合设计要求，在110度稳定精度为+/-0。5，等一下看看其他设定温度的控制效果

下面是180度目标的控温效果，恒温时为180，+/-0.5度的误差，基本已经满足要求

以上表格生成方法：将采集的时时温度传到PC，然后导入到EXCEL中再用图表分析功能做成的

我的硬件系统是51单片机通过光耦触发可控硅来实现给电热丝供电，并且检测交流电过零，控制导通周期，至于上面看到的数据解析图片，是单片机通过串口将时时温度数据传递给PC，然后保存起来用EXCEL软件分析，温度走势，看PID的控温效果，等一下我将实验图片上传。下面是控制解析图，不知道表达清楚不?

PID的源代码在网上基本都是公开的，既然大家都希望看一看，我还是贴出来吧，估计看了也很失望，因为我的也是网上的代码一模一样的，既然数学模型已经建立，程序只是把这个模型用语言把他表达出来而已，其实很多人PID实验不成功，就是没有仔细去分析参数的调节过程，我是想通过上面的实验过程来给大家一个思路去如何调节这几个参数，而不是在网上到处搜索源程序，然后抱怨下载的PID源程序都不能满足自己的调节要求。

经过实验发现：位置式整定的参数不能直接用在增量式上面，会出现超调的时间居多，无法稳定在目标值上

//PID计算

UINT16 PID_Cal(void) {

float xdata pterm,iterm,dterm;

//把当前的温度和设定的目标温度定义好 ppid->pv = SystemRealTemprature; ppid->sp = SystemSetTemprature;

//根据实验得出:Kp=5.98 T=5 Td=27 Ti=112.5

//PID数学模型 //u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2) + ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]

ppid->errk = (float)(ppid->sp - ppid->pv);

pterm = ppid->kp * ppid->errk;

ppid->sum += ppid->errk; iterm = ppid->ki * ppid->sum;

dterm = ppid->kd * (ppid->errk - ppid->errk_1);

ppid->Last_Out = pterm + iterm + dterm;

ppid->errk_2 = ppid->errk_1; ppid->errk_1 = ppid->errk;

if(ppid->Last_Out > SampleT)

ppid->Last_Out = SampleT; else if(ppid->Last_Out < 0) ppid->Last_Out = 0;

printf(\"%d p=%d i=%d d=%d \(int)iterm, (int)dterm); printf(\"H=%d\\n\(UINT16)ppid->Last_Out);

return (UINT16)ppid->Last_Out; }