CN113946172B - 一种参数自整定pid温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种参数自整定PID温度控制方法，包括如下步骤：对整个***进行数据初始化设置、检测***内是否存在***数据、根据判断情况进行相应的运算；最大加热温度前先进行自整定，并在***存在历史数据后进入二次整定判断，再计算出二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合条件，计算出Kv、Kctk、Kapt三个系数，利用自整定后的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比；若Tsv2小于当前温度，则不符合则符合二次整定条件，然后利用第一次整定计算出的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比，进而获得对加热功率的输出更快更精准的控制，方法之后有着精度更高，控温收敛速度更快，控温曲线更稳定的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法，特别是一种温度控制方法。
背景技术
控制算法中的PID控制算法是各种工业控制的最主要控制方法之一；随着社会经济的不断发展，人们生活质量的不断提高，对生活电器中的温度控制要求也在不断提高，这就需要引入新的控制算法；由于传统的PID控制算法会结合被控对象的动态特性，其参数的调整需要有经验的工程人员来进行调整，且参数调整之后不再变化，导致其使用和发挥空间受到限制，多用于工业加热控制，不能很好地应用在需要中低精度温度控制环境中；随着温度控制环境与需求因为社会经济发展而变的多样化，PID控制***也出现了一些改进算法，如Z-N自整定算法，模糊PID算法，这些算法较于传统的PID算法虽然提升了温度控制精度，但是有着需要将整定好的参数固化与外部储存器、无法应对采样值发生跳动的不足之处，并且这些算法具有较高的精度，但是同样需要较为灵敏的测温元件，配套的***价格较为昂贵，不适用于中低精度的测温环境。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种参数自整定PID温度控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种参数自整定PID温度控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、对整个***进行数据初始化设置，设定加热目标温度值、控制周期、温度采样周期；
(2)、检测***内是否存在***数据，如果检测不存在***数据，则全负载功率加热以提高受控对象的温度至设定的目标温度值Tsv1，对受控对象进行温度采样，并进入步骤(3)；如果检测存在***数据则进入步骤(6)；
(3)、根据所述步骤(2)中获得的受控对象温度采样值，结合采样周期计算温度滞后时间Lag与一次整定最快加热速率Vmax1，进入步骤(4)；
(4)、所述步骤(3)中的温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1和温度采样值进行PID参数的运算，得出PID参数，进入步骤(5)；
(5)、所述步骤(4)得出的PID参数进行运算，调整负载对受控对象的加热功率输出，控制温度，并返回所述步骤(2)；
(6)、对***数据进行判断是否符合二次整定的条件，判断条件是先计算出二次整定温度系数Kt2，再计算二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合二次整定条件，进入步骤(7)；若Tsv2小于当前温度，则不符合则符合二次整定条件，进入步骤(8)；
(7)、进行二次整定，获取到二次升温速率与恒温时间Vmax2、Tctk2，同自整定时获取到的一次整定最快加热速率与恒温时间Vmax1、Tctk1进行比值运算得出Kv、Kctk、Kapt三个系数，最终影响PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制；
(8)、***数据不符合二次整定条件，则由所述步骤(4)获得PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制。。
优选地，所述步骤(3)得到被加热对象温度采样值，计算出一次整定最快加热速率Vmax1和温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1的计算公式为：V＝(Tb-Tc)/t,其中Tc为一个采样周期前所测得受控对象的温度值，Tb为当前所测得的受控对象的温度值，Vmax1即为V的最大值；温度滞后时间Lag＝Tout/Vmax1；其中Tout为加热到目标温度后因为温度惯性而导致的超温值。
优选地，所述步骤(4)中，根据计算出的一次整定最快加热速率Vmax1与温度滞后时间Lag，由公式Kp＝Kp1/(Tout)、Ti＝Ti1*Lag、Td＝Td1*Lag计算出每个温度控制时间点的PID参数，即比例系数Kp、积分系数Ti、微分系数Td。
优选地，所述PID参数计算的公式中的Kp1、Ti1、Td1为系数。
优选地，所述步骤(6)中,二整定温度系数Kt2计算公式为Kt2＝(Tsv1-Tout)/Tsv1，其中Tsv1为***最大工作温度的70％。
优选地，所述步骤(6)中二次整定目标温度Tsv2计算公式为Tsv2＝Tcur*Kt2。
优选地，所述步骤(7)中，系数Kv计算公式为Kv＝Vmax2/Vmax1,系数Kctk计算公式Kctk＝Tctk2/Tctk1,Kapt＝Kv*Kctk。
优选地，所述步骤(8)中，在对积分增益Ti进行运算后，需对运算数据累计20次数值进行刷新处理。
本发明的有益效果是：本方法在最大加热温度前先进行自整定，并在***存在历史数据后进入二次整定判断，再计算出二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合条件，计算出Kv、Kctk、Kapt三个系数，利用自整定后的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比；若Tsv2小于当前温度，则不符合则符合二次整定条件，然后利用第一次整定计算出的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比，进而获得对加热功率的输出更快更精准的控制，从曲线结果来看，使用这种方法之后相较传统PID算法控制有着精度更高，控温收敛速度更快，控温曲线更稳定的优点。这使PID算法响应快的优势点可以在具有限制的硬件条件下得以发挥。同时由于二次整定的存在，该算法的PID参数虽然具有初值，但是却会根据控制对象的控制效果进行调整，在一定范围内灵活应对控制对象的变化。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的方法流程图；
图2是加热控制单元的电路原理图。
具体实施方式
“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1和图2，一种参数自整定PID温度控制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、对整个***进行数据初始化设置，设定加热目标温度值、控制周期、温度采样周期；
(2)、检测***内是否存在***数据，如果检测不存在***数据，则全负载功率加热以提高受控对象的温度至设定的目标温度值Tsv1，对受控对象进行温度采样，并进入步骤(3)；如果检测存在***数据则进入步骤(6)；
(3)、根据所述步骤(2)中获得的受控对象温度采样值，结合采样周期计算温度滞后时间Lag与一次整定最快加热速率Vmax1，进入步骤(4)；
(4)、所述步骤(3)中的温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1和温度采样值进行PID参数的运算，得出PID参数，进入步骤(5)；
(5)、所述步骤(4)得出的PID参数进行运算，调整负载对受控对象的加热功率输出，控制温度，并返回所述步骤(2)；
(6)、对***数据进行判断是否符合二次整定的条件，判断条件是先计算出二次整定温度系数Kt2，再计算二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合二次整定条件，进入步骤(7)；若Tsv2小于当前温度，则不符合则符合二次整定条件，进入步骤(8)；
(7)、进行二次整定，获取到二次升温速率与恒温时间Vmax2、Tctk2，同自整定时获取到的一次整定最快加热速率与恒温时间Vmax1、Tctk1进行比值运算得出Kv、Kctk、Kapt三个系数，最终影响PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制；
(8)、***数据不符合二次整定条件，则由所述步骤(4)获得PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制。
所述步骤(3)得到被加热对象温度采样值，计算出一次整定最快加热速率Vmax1和温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1的计算公式为：V＝(Tb-Tc)/t,其中Tc为一个采样周期前所测得受控对象的温度值，Tb为当前所测得的受控对象的温度值，Vmax1即为V的最大值；温度滞后时间Lag＝Tout/Vmax1；其中Tout为加热到目标温度后因为温度惯性而导致的超温值；Tsv1为目标温度Tcur的105％。
所述步骤(4)中，根据计算出的一次整定最快加热速率Vmax1与温度滞后时间Lag，由公式Kp＝Kp1/(Tout)、Ti＝Ti1*Lag、Td＝Td1*Lag计算出每个温度控制时间点的PID参数，即比例系数Kp、积分系数Ti、微分系数Td；根据计算出的一次整定最快加热速率Vmax1与温度滞后时间Lag，由公式Kp＝Kp1/(Tout)、Ti＝Ti1*Lag、Td＝Td1*Lag计算出每个温度控制时间点的PID参数，即比例增益Kp、积分增益Ti、微分增益Td，公式中Kp1、Ti1、Td1为系数，Tout为加热到目标温度的105％后因为温度惯性而导致的超温值；温度控制积分单元out0，作用范围在目标温度的+0.3--0.7％之间，且输出功率需不大于总功率的80％。
由于温度的滞后性，一旦温度有下降趋势，但PID微分单元由于AD采样精度偏差问题，导致***反应不及时，最终使得控温幅度过大，于是在目标温度线前后启动一个新的温度控制积分单元out0做为补助输出，一旦判断在累计时间内，温度存在下降趋势，立刻控制输出功率减缓温度下降趋势，减缓控温幅度。
所述PID参数计算的公式中的Kp1、Ti1、Td1为系数，其中Kp1＝60，Ti1＝18000，Td1＝30000。
所述步骤(6)中,二整定温度系数Kt2计算公式为Kt2＝(Tsv1-Tout)/Tsv1，其中Tsv1为***最大工作温度的70％。
所述步骤(6)中二次整定目标温度Tsv2计算公式为Tsv2＝Tcur*Kt2。
所述步骤(7)中，系数Kv计算公式为Kv＝Vmax2/Vmax1,系数Kctk计算公式Kctk＝Tctk2/Tctk1,Kapt＝Kv*Kctk；由于PID参数与加热对象和环境因素相关，在不同起始水位及环境下，为了了解新的控热环境，于是进行二次整定的温度线判断，倘若当前温度低于温度线则进行二次整定的参数获取，引入初次整定时加热一度所用恒温时间Tctk1与二次整定的恒温时间Tctk2进行运算，得出对应控制系数，同样引入初次整定时的一次整定最快加热速率Vmax1与二次升温速率Vmax2得出控制系数，根据比例单元积分单元微分单元对于不同影响因素的敏感度区分作用，使***在不同初始环境下调整参数适应输出。分别作用于PID各个参数得出新的加热环境的二次整定后系数Kv、Kctk和Kapt。
所述步骤(8)中，在对积分增益Ti进行运算后，需对运算数据累计20次数值进行刷新处理；避免过去数据大量累积的影响而造成的温度过冲；由于传统PID积分单元运算将会有大量历史数据积累并作用到当前的输出，使得控温初期温度曲线会大幅度震荡，并且在到达温度后，位置式PID维持温度的主要作用单元为默认输出与PID微分单元，作用的单一性容易引起控温中后期温度曲线偏移控温线周期过大。
在步骤(1)中，为了使快速进入温度控制，所述控制周期和温度采样周期已进行设定。
在步骤(2)中，所述全负载加热功率通过控制固态继电器全导通提高实现；在步骤(5)中，在获得一个采样周期的PID参数后，通过调整固态继电器导通次数来对受控对象来进行调节。
本方法在最大加热温度前先进行自整定，并在***存在历史数据后进入二次整定判断，再计算出二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合条件，计算出Kv、Kctk、Kapt三个系数，利用自整定后的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比；若Tsv2小于当前温度，则不符合则符合二次整定条件，然后利用第一次整定计算出的PID参数进行运算以得出一个控制周期内的PWM占空比，进而获得对加热功率的输出更快更精准的控制，从曲线结果来看，使用这种方法之后相较传统PID算法控制有着精度更高，控温收敛速度更快，控温曲线更稳定的优点。这使PID算法响应快的优势点可以在具有限制的硬件条件下得以发挥。同时由于二次整定的存在，该算法的PID参数虽然具有初值，但是却会根据控制对象的控制效果进行调整，在一定范围内灵活应对控制对象的变化。
依据本方法，设置有电源及电源转换单元、OLED显示单元、微处理器单元、按键输入单元和加热控制单元；所述电源及电源转换单元与单片机相连，为整个温控***提供工作电源，按键输入单元与OLED显示单元与单片机相连，用户可通过OLED屏幕观察PID参数，通过按键输入单元进行调整，温度采集单元将测得的受控对象温度数值传递给微处理器单元，微处理器单元将PID运算后的结果转化为一个控制周期内输出PWM控制信号，加热控制单元与受控对象相连，并接收微处理器单元的PWM控制信号，通过固态继电器对受控对象进行控制。
电源及电源转换单元包括一级降压转换电路和二级降压转换电路；一级降压转换电路包括线性稳压芯片7805与二极管1N4007，可以将24V直流电压转为5V直流电压，其适配器与DC-005座子输入外部交流电；二级降压转换电路包括低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3与二极管1N4007，可以将5V直流电压转为3.3V直流电压。
微处理器单元包括芯片U1、芯片分别与时钟电路、复位电路、下载电路、电源转换单元与按键输入单元和加热控制单元连接；芯片U1的型号为STM32F103CBT6作为主控芯片，主控芯片工作时最高频率为80Hz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读写程序存储器。
参考图2，加热控制单元包括光耦P1、三极管S1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、继电器K1和强电加热电路；光耦P1的1引脚接3.3V直流电压，芯片U1的46引脚通过电阻R1接光耦P1的2引脚，光耦P3的1引脚接5V直流电压，光耦P3的4引脚分两路，一路通过电阻R2接地、另一路通过电阻R3接三极管S1的基极；三极管S1的发射极接地，三极管S1的集电极通过电阻R4接继电器K1的2引脚；继电器K1的1引脚接5V直流电压，继电器K1的3引脚和4引脚均接强电加热电路；芯片U1通过其46引脚发送电信号以控制光耦P1，进而控制三极管S1，由此通过三极管S1控制继电器K1的导通情况，实现芯片U1对强电加热电路的控制；继电器K1的型号为SAI4005D-I、光耦P1的型号为PC817B、三极管S1的型号为S9014；所述继电器K1为过零型SSR无触点固态继电器，采用过零型的原因是此处固态继电器主要作为开关的功能使用，相较于普通电磁继电器，其由于无触点故不会产生电火花，提升了安全性。
温度采集单元包括K型热电偶MAX6675***和接口CON1；所述接口CON1的1引脚接3.3V直流电压，接口CON1的2引脚接地，接口CON1的3引脚接芯片U1的11引脚，接口CON1的4引脚接芯片U1的12引脚，接口CON1的5引脚接芯片U1的13引脚，由此，将温度信号传送给芯片U1；该K型热电偶MAX6675***有着0℃～1024℃的测温范围，符合设计要求，由于在实际应用过程中会产生测量值跳动，故需要采用滑动平均值滤波的方法进行处理，即先将一定量采样数据依次存放，然后每采集到一个新数据，就去掉最早采集的数据，而后对数据进行算术平均值。
对OLED显示单元进行补充说明，所述OLED显示单元主要由OLED***组成，其***型号位0.96OLED***。
以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。
Claims (5)
1.一种参数自整定PID温度控制方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、对整个***进行数据初始化设置，设定加热目标温度值、控制周期、温度采样周期；
（2）、检测***内是否存在***数据，如果检测不存在***数 据，则全负载功率加热以提高受控对象的温度至设定的目标温度值Tsv1，对受控对象进行温度采样，并进入步骤（3）；如果检测存在***数据则进入步骤（6）；
（3）、根据所述步骤（2）中获得的受控对象温度采样值，结合采样周期计算温度滞后时间Lag与一次整定最快加热速率Vmax1，进入步骤（4）；
（4）、所述步骤（3）中的温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1和温度采样值进行PID参数的运算，得出PID参数，进入步骤（5）；
（5）、所述步骤（4）得出的PID参数进行运算，调整负载对受控对象的加热功率输出，控制温度，并返回所述步骤（2）；
（6）、对***数据进行判断是否符合二次整定的条件，判断条件是先计算出二次整定温度系数Kt2，再计算二次整定目标温度Tsv2，与当前温度进行比较，若Tsv2大于当前温度，则符合二次整定条件，进入步骤（7）；若Tsv2小于当前温度，则不符合二次整定条件，进入步骤（8）；
（7）、进行二次整定，获取到二次升温速率与恒温时间Vmax2、Tctk2，同自整定时获取到的一次整定最快加热速率与恒温时间Vmax1、Tctk1进行比值运算得出Kv、Kctk、Kapt三个系数，最终影响PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制；
（8）、***数据不符合二次整定条件，则由所述步骤（4）获得PID控制参数输出运算，对受控对象进行控制；
本方法设置有电源及电源转换单元、OLED显示单元、微处理器单元、按键输入单元和加热控制单元；所述电源及电源转换单元与单片机相连，为整个温控***提供工作电源，按键输入单元与OLED显示单元与单片机相连，用户可通过OLED屏幕观察PID参数，通过按键输入单元进行调整，温度采集单元将测得的受控对象温度数值传递给微处理器单元，微处理器单元将PID运算后的结果转化为一个控制周期内输出PWM控制信号，加热控制单元与受控对象相连，并接收微处理器单元的PWM控制信号，通过固态继电器对受控对象进行控制；电源及电源转换单元包括一级降压转换电路和二级降压转换电路；一级降压转换电路包括线性稳压芯片7805与二极管1N4007，可以将24V直流电压转为5V直流电压，其适配器与DC-005座子输入外部交流电；二级降压转换电路包括低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3与二极管1N4007，可以将5V直流电压转为3.3V直流电压；微处理器单元包括芯片U1、芯片分别与时钟电路、复位电路、下载电路、电源转换单元与按键输入单元和加热控制单元连接；芯片U1的型号为STM32F103CBT6作为主控芯片，主控芯片工作时最高频率为80Hz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读写程序存储器，加热控制单元包括光耦P1、三极管S1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、继电器K1和强电加热电路；光耦P1的1引脚接3.3V直流电压，芯片U1的46引脚通过电阻R1接光耦P1的2引脚，光耦P3的1引脚接5V直流电压，光耦P3的4引脚分两路，一路通过电阻R2接地、另一路通过电阻R3接三极管S1的基极；三极管S1的发射极接地，三极管S1的集电极通过电阻R4接继电器K1的2引脚；继电器K1的1引脚接5V直流电压，继电器K1的3引脚和4引脚均接强电加热电路；芯片U1通过其46引脚发送电信号以控制光耦P1，进而控制三极管S1，由此通过三极管S1控制继电器K1的导通情况，实现芯片U1对强电加热电路的控制；继电器K1的型号为SAI4005D-I、光耦P1的型号为PC817B 、三极管S1的型号为S9014；所述继电器K1为过零型SSR无触点固态继电器；温度采集单元包括K型热电偶MAX6675***和接口CON1；所述接口CON1的1引脚接3.3V直流电压，接口CON1的2引脚接地，接口CON1的3引脚接芯片U1的11引脚，接口CON1的4引脚接芯片U1的12引脚，接口CON1的5引脚接芯片U1的13引脚，由此，将温度信号传送给芯片U1；该K型热电偶MAX6675***有着0℃~1024℃的测温范围，采用滑动平均值滤波的方法进行处理，即先将一定量采样数据依次存放，然后每采集到一个新数据，就去掉最早采集的数据，而后对数据进行算术平均值，
所述步骤（6）中,二整定温度系数Kt2计算公式为Kt2=(Tsv1-Tout)/Tsv1，其中Tsv1为***最大工作温度的70%；
所述步骤（6）中二次整定目标温度Tsv2计算公式为Tsv2=Tcur*Kt2；
所述步骤（7）中，系数Kv计算公式为Kv=Vmax2/Vmax1,系数Kctk计算公式Kctk=Tctk2/Tctk1,Kapt=Kv*Kctk。
2.根据权利要求1所述的参数自整定PID温度控制方法，其特征在于所述步骤（3）得到被加热对象温度采样值，计算出一次整定最快加热速率Vmax1和温度滞后时间Lag，一次整定最快加热速率Vmax1的计算公式为：V=(Tb-Tc)/t,其中Tc为一个采样周期前所测得受控对象的温度值，Tb为当前所测得的受控对象的温度值，Vmax1即为V的最大值；温度滞后时间Lag=Tout/Vmax1；其中Tout为加热到目标温度后因为温度惯性而导致的超温值。
3.根据权利要求1所述的参数自整定PID温度控制方法，其特征在于所述步骤（4）中，根据计算出的一次整定最快加热速率Vmax1与温度滞后时间Lag，由公式Kp=Kp1/(Tout) 、Ti=Ti1*Lag、Td=Td1*Lag计算出每个温度控制时间点的PID参数，即比例系数Kp、积分系数Ti、微分系数Td。
4.根据权利要求3所述的参数自整定PID温度控制方法，其特征在于所述PID参数计算的公式中的Kp1、Ti1、Td1为系数。
5.根据权利要求1所述的参数自整定PID温度控制方法，其特征在于所述步骤（8）中，在对积分增益Ti进行运算后，需对运算数据累计20次数值进行刷新处理。
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