PID温度控制参数整定方法详解

PID温度控制参数整定方法详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/luolt42/article/details/144472943

在温度控制项目中，PID控制器因其良好的控制性能而被广泛应用。本文详细记录了一个基于Ziegler-Nichols方法的PID参数整定过程，通过实验数据和具体计算，展示了如何实现对密封腔体温度的精确控制。

1. PID控制公式

位置式PID控制公式原型：
u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2) + ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]

2. 控制对象与原理

• 控制对象：加热/制冷器（在2分钟内不能再加热至冷之间切换）控制密封的腔体（空间体积大小15cm20cm65cm）温度。
• 控制原理：利用MCU的输出比较模块（OCM）产生PWM波驱动H桥电路（通过目标温度和环境温度对比决定加热或者制冷）。

3. PID参数整定

温度控制属于滞后控制系统，采用Ziegler-Nichols参数整定方法：

参数说明：

• Kc：只采用比例环节控制条件下，控制系统的稳态误差尽量达到最小时的Kp值。
• Pc：只采用比例环节控制条件下，控制系统的震荡周期。
• Ti：控制系统的积分时间。
• Td：控制系统的微分时间。
• T：PID控制采样计算周期。
• Kp、Ki、Kd：被整定的参数。

整定步骤：

1. 获取合适的Kc值，设置Ki，Kd为0。在当前温度进入目标温度3.5°内开始进行PID控制，之前采用90%恒定功率加热。

图一（Kc =5）
图二（Kc =9）
图三（Kc =20）

从上述的四组数据中可以看到，当Kc=5时，控制系统的稳态误差是最小的。在目标范围正负3°之间，选取Kc = 5.

2. 计算Pc值。从上述的图一（将.csv格式的数据文件在excel中转换图表，将鼠标放在曲线上，会自动显示此点的坐标，如图所示），取4个震荡周期一共720个点，得出一个震荡周期为Pc=720*5/4= 900s。

3. 根据个人需要采用哪种PID组合来计算Ti、Td、Kp、Ki、Kd。温度控制是属于滞后控制，而PID控制中的，微分项是具有超前调节的作用，因此必须引入；积分项对误差的作用取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，推动控制器的输出向稳态误差减小的方向变化，直到稳态误差等于零。我采用的是PID组合来控制。得出Ti=9000.5=450s。Td=9000.15=135s。

Kp=50.65=3.25；Ki= KpT/Ti=3.255/450=0.036；Kd= KpTd/T=3.25*135s /5=88。

(PID采样周期定为5秒，也可以是其他值，此值不宜过大或过小)

4. 采用PID控制温度，无论高温低温，稳态误差均在正负0.5°范围之内。如下所示：

一般根据模型计算的参数不一定是适合所有的控制系统（这里实验得到的最佳Kd值为120，而我们算出来的是88），根据特定的环境调节参数范围，找到最优参数，因本系统是滞后系统，微分项起主导作用，我暂时还只做了调整kd值的实验，Ki一般反应在系统达到稳态的时候是否存在稳定误差，从实验结果得出，稳态误差几乎可以忽略。

零下一度的目标温度，连续8小时的温度控制数据：

4. 代码实现

附录：//PWM频率为1Khz，定时器的计数周期为5000（mPID.MaxDuty = 5000*90%）,PID返回值和上次的的定时器计数值决定本次的占空比。

INT32 PID_calculate(double CurTemp)  
{  
    INT32 RetValue;  
    double result_value;  
    // Keep previous error  
    mPID.PrevError = mPID.Error;  
    // calculate current error  
    mPID.Error = mPID.Target - CurTemp;  
    // calculate integral  
    mPID.SumError += mPID.Error;  
    if(mPID.Kd > 0.0001)  
    {  
        result_value = mPID.Kp * mPID.Error + mPID.SumError * mPID.Ki +  
                       mPID.Kd * (mPID.Error - mPID.PrevError);  
    }  
    else  
    {  
        result_value = mPID.Kp * mPID.Error + mPID.SumError * mPID.Ki;  
    }  
    RetValue = (INT32)result_value;  
    return RetValue;  
}  

// Timer interrupt enable control flag, execute temperature control.  
void TemperatureControl()  
{  
    INT32 ret = 0;  
    if(mPID.type == HEAT)  
    {  
        INT32 DutyValue = OC4RS;  
        if(fabs(mPID.Current - mPID.Target) <= PIDControlStartPoint)  
        {  
            PIDControlStartPoint = 12;  
            ret = PID_calculate(mPID.Current);  
        }  
        else if(fabs(mPID.Current - mPID.Target) <= TempControlStartPoint)  
        {  
            OC4RS = INITPWMPERIOD16 * 50 / 100.0;  
            ret = 0;  
            return ;  
        }  
        else  
        {  
            ret = 0;  
        }  
        if( (DutyValue + ret) > mPID.MaxDuty)  
            OC4RS = mPID.MaxDuty;  
        else if(DutyValue + ret < mPID.MinDuty)  
            OC4RS = mPID.MinDuty;  
        else  
            OC4RS += ret;  
    }  
    else if(mPID.type == COOL)  
    {  
        INT32 DutyValue = OC3RS;  
        if(fabs(mPID.Current - mPID.Target) <= PIDControlStartPoint)  
        {  
            PIDControlStartPoint = 12;  
            ret = PID_calculate(mPID.Current);  
            ret = -ret;// must be negative  
        }  
        else if(fabs(mPID.Current - mPID.Target) <= TempControlStartPoint)  
        {  
            if(mPID.Target > 5.1)  
                OC3RS = INITPWMPERIOD16 * 70 / 100.0;  
            else  
                OC3RS = INITPWMPERIOD16 * 78 / 100.0;  
            ret = 0;  
            return ;  
        }  
        else  
        {  
            ret = 0;  
        }  
        if( (DutyValue + ret) > mPID.MaxDuty)  
            OC3RS = mPID.MaxDuty;  
        else if(DutyValue + ret < mPID.MinDuty)  
            OC3RS = mPID.MinDuty;  
        else  
            OC3RS += ret;  
    }  
    else  
    {}  
}