基于PID算法的模拟温度闭环控制系统课程设计报告.docx

计算机控制技术课程设计
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基于PID算法的温度仿真
温度是工业对象中一种重要参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热解决炉和反映炉等。用微型计算机对炉温进行控制，无论在控制品质，节约能源，还是在改善劳动环境等方面都显示了巨大的优越性。本报告介绍了温度测量及自动控制系统的软件设计。
一、课设内容
实现用PID闭环控制温度系统的仿真。
二、总体方案
温度信号通过PID控制算法的解决，输出相应的控制信号。本次课程设计侧重PID温度控制算法的实现。
三、控制系统分析：

零状态下，输入为单位阶跃信号R的输出回反馈给输入。在参数给定值R的情况下，给定值R与反馈值比较得到偏差.
通过PID调节器运算产生相应的控制量，PID调节器的输出作为被控对象的输入信号，是输入的数值稳定在给定值R。
通过PID算法控制系统在单位阶跃信号R(m激励下产生的零状
态响应。传递函数表达式为：
R(幻 0.383(1 - 0.386z" ')(1 - 0.586厂】)
D (z)==
。⑵(1-£'1)(1 + 0.593厂1)
通过Z的反变换后得差分方程为:
r(k) = 0.383c(幻一0.366c* - 1) + 0.083c(上一2)|
+0.0407r(k-1)+O.S93r(/c-2)|
四、软件设计
PID调节由比例调节、积分调节、微分调节三者组成，是技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式°PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制规定，可灵活地改变PID的结构，取其中一部分环节构成控制规律，如比例调节、比例积分调节、比例积分微分调节等。
PID算法表达式：
P (t) K (p) e (t) — e (t)dt T "e°)
(1)
TID dt
当采样周期T很小时四可以用T近似代替，［3可用
拆…^^叫近似代替，“积分”用“求和”近似代替，即可作
如下近似
de(t)e(t)
e(t
1)
dt
T

te(t)dt n
0i1
e(i)T

离散化后的PID表达式:
T K T
P (k) K E (k) — E (j) E (k) E (k 1)p T T
I j o
(2)
在该系统中，选用位置型PID进行程序设计，位置型PID输
出表达式如下:
，、，、K
P k) K E (k) K E (j)K E k) E k 1)
PID
j 0
(3)
在进行程序编写时，一般将（3）式作一下改善:
P (k) K E(k)pp
P*)KjE(k)P*
P K E(k) E(k
D D
1)
1)
根据该表达式，在计算机内进行具体的PID运算，PID程序
流程图如图2。

PID程序

输入
m (k)、r (k)

计算
E k R k M k 1
|

计算
P (k) K E (k)|
|

计算
P k K
E k P (k 1)1
L

计算

计算

P k
P k
P k
P k 1
1

E k-1
E k]
,

L

―返回
图1 PID程序框图
五、
运营结果

P=1.15 I=0.5 D=0.015:

温度

可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至导致系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。由于有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数I,I越小，积分作用就越强。反之I大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。
六、实验心得：
在这次课程设计中，我完整地经历了一次课题设计的全过程，从系统规定的解读，系统的整体设计，软件的设计。在这些过程中，涉及到到各方面理论知识的应用，相关软件的应用；同时也锻炼了全局性思维。在这次课程设计中有如下收获和体会：
理论知识有很大长进。特别是对PID算法有更深刻的理解，进一步理解离散化思想，能理解位置型PID与增量型PID的不同与各自应用的范围，体会整体与局部的兼顾的重要性。
参考书籍及资料：
《51单片机c语言教程》郭天祥
基于单片机和PID算法的直流电机调速设计----来自网络作者不详
《最新VC++绘图程序设计技巧与实例教程》刘静华
《C程序设计》—谭浩强