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PID温度控制实验

PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早发展起来的控制
策略之一，它根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量对系
统进行控制。当我们不彻底了解一个系统和被控对象，或者不能通过有效

的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。由于其算法简
单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。

PID调节控制是一个传统控制方法，它合用于温度、压力、流量、液
位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数
设置得当均可以达到很好的效果。本实验以PID温度控制为例，通过此实
验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制等专业知识的理解。

2、掌握正校实验的方法，并用正交实验法来确定最佳P、I、D参数
3、会求根据温度变化曲线求出相应的超调量、稳态误差和调节时间的方
法二、仪器与用具

加热装置、加热控制模块、单片机控制及显示模块、配套软件、电脑。
三、实验原理

1、数字PID控制原理

数字PID算法是用差分方程近似实现的,用微分方程表示的PID调节
规律的理想算式为:

1de(t)u(t)KP[e(t)e(t)dtTD](1)

TI0dt单片机只能处理数字信号，上式可等价于:
tTUnKP[enTIeii0nTD(enen1)](2)TTTenD(en2en1en2)](3)TIT(2)
式为位置式PID算法公式。也可把(2)式写成增量式PID算法形式:

UnUnUn1KP[enen1其中,en为第n次采样的偏差量；en-1为第n-1次
采样的偏差量；T为采样周期；TI为积分时间；

TD为微分时间；KP为比例系数。

2、PID温度控制的框图

设定温度(SV)温度偏差(EV)(EV=SV-PV)PID调节器按周期调节脉冲宽
度输出加热装置实际温度(PV)图1PID温度控制的框图

温度PID控制是一个反馈调节的过程:比较实际温度(PV)和设定温度
(SV)的偏差,偏差值经过PID调节器运算来获得控制信号,由该信号控制加
热丝的加热时间,达到控制加热功

率的目的,从而实现对系统的温度控制。其调节过程如下：

温度偏差(EV)PID调节器输出的脉冲宽度可控硅导通时间与发热管输
出功率加热装置温度实际温度(PV)

3、PWM控温原理

温度控制的功率输出我们采用脉冲宽度调制原理(PWM)来实现。如图
2所示，双向可控硅的输出端为脉宽可调的电压U。当双向可控硅的触发
角触发时，电源电压UAN通过双向

OUT

可控硅的输出端加到发热管的两端；当双向可控硅的触发角没有触发
信号时，双向可控硅关断。因此，发热管两端的平均电压为
UOUTtUANKUAN其中K=t/T，为一个周期TT中，双向可控硅触发导通的比
率，称为负载电压系数或者是占空比，K的变化率在0－1之间。普通是
周期T固定不便，调节t,当t在0－T的范围内变化时，发热管的电压
即在0－UAN之间变化，如图3所示，这种调节方法称为定频调宽法。将
位置式或者增量式PID算法的结果Un(Un)对摹拟量的连续控制转化为
Un(Un)对时间量的连续控制，使用双向可控硅直接控制加热管工作电流
的导通与断开。

TriggerUOUT双向可控硅UAUU加热管

图2双向可控硅加热控制电路

图3脉宽调制电压输出示意图

4、温度控制的两个阶段

温度控制系统是一个惯性较大的系统，也就是说，当给温区开始加热
之后，并不能即将观察得到温区温度的明显上升；同样的，当关闭加热之
后，温区的温度仍然有一定程度的上升。此外，热电偶对温度的检测，与
实际的温区温度相比较，也存在一定的滞后效应。这给温度的控制带来了

艰难。因此，如果在温度检测值(PV)到达设定值时才关断输出，

可能因温度的滞后效应而长期超出设定值，需要较长期才干回到设

定值；如果在温度检测值(PV)未到设定值时即关断输出，则可能因关
断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度(即加
热速度)与系统稳定性之间地矛盾，我们把温度控制分为两个阶段。

图4温度控制的动态响应过程

(1)PID调节前阶段
在这个阶段，因为温区的温度距离设定值还很远，为了加快加热速度，
双向可控硅与发热管处于满负荷输出状态，惟独当温度上升速度超过控制
参数“加速速率”，双向可控硅才关闭输出。“加速速率”描述的是温度
在单位时间的跨度，反映的是温度升降的快慢，如图4所示。用“加速速

率”限制温升过快，是为了降低温度进入PID调节区的惯性，避免首次到
达温度设定值(SV)时超调过大。

在这个阶段，要末占空比K=0,双向可控硅关闭；要末占空比K=100％,
双向可控硅全速输出。