发布时间 : 星期三 文章基于can总线的温度测控系统的设计本科本科毕业论文更新完毕开始阅读
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3.3.3 数字PID控制
在计算机控制系统中，我们通常会用数字PID控制器。模拟PID控制器由于本身的局限性，很多控制得不到实现，而引入了计算机系统的数字控制后，应运而生很多改进的算法，不仅可以用常规PID调节，还可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制、不完全微分控制、积积分分离式PID控制、带死区的PID控制、变变速积分PID控制、比例PID控制等，以满足不同的控制。而且控制规律是通过程序完成的，不需要求出数学模型，易被人们熟悉和掌握，控制效果好，方便灵活。
PID控制算法的数字实现：
采用单片微机作为控制器核心的自动控制系统简化框图如图3.3所示：
图3.3 单片机自动控制系统简化框图
它是由单片微机系统通过A/D电路检测过程变量Y，并计算误差e和控制变量u，通过D/A变换后输出到执行机构，使过程Y稳定在设定点上。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差计算控制变量u，因此模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。数字PID控制算法主要可以分为位置式PID控制算法和增量式的PID控制算法[4]。
位置式PID控制算法：在采样时刻t=i*T(T为采样周期，i为正整数)，通过数值公式近似计算得：
增量式PID控制算法：当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，由上式可导出增量式PID计算公式：
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上式可以进一步改写为：⊿ui=d0ei+d1ei-1+d2ei-2，式中d0=KP* (1+T/Ti+Td/T), d1=- KP*(1+2Td/T), d2= KP*Td/T。 3.3.4 积分分离的PID控制算法
在实际的控制系统中，控制变量的实际输出值往往受到执行机构性能的约束，而被限制在有限的范围内，即umin≤u≤umax。如果微机输出的控制变量超出此工作范围，则实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不期望的效应，称为饱和效应。
图3.4 PID位置算法的积分饱和现象
如果由于负载突变等原因，引起误差的阶跃，若根据PID算法公式计算出的控制量u超出了控制范围，例如u≥umax，那么实际上控制变量u就只能取上界值umax，而不是计算值，此时系统变量Y输出值虽在不断上升，但由于控制量受到限制，其增长要比没有受限制时慢，误差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而是公式中的积分项有较大的累计值，当过程变量输出值Y超出给定值后，开始出现负差，但由于积分项的累计值很大，还要经过一段时间t后，控制变量u才脱离饱和区，这样就使系统出现明显的超调，这种饱和作用是由积分项引起的，故称为积分饱和。
为了克服积分饱和，进行PID算法改进，采用积分分离的思想，在开始时不进行积分，直至偏差达到一定值后，才进行积分，即仅当误差的绝对值小于预定的门限值时，才进行积分累积。这样一方面防止了一开始就有过大的控制量，另一方面即使
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进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调，控制效果得到了很大的改善。
图3.5 积分分离法克服积分饱和
PID有很多算法的改进，其中包括微分先行的PID、带死区的PID、带有Smith预估器的PID等，微分先行的PID特点是对输出量C(t)微分处理，而对给定值r(t)不做微分，微分的作用是改善系统的动态特性，因此先行微分控制适合于给定值r(t)频繁改变的情况，可以避免改变其过频的改变带来系统的震荡，不适合与温度控制这种缓慢的变化场合；带死区的PID控制很难确定死区e的值，e的值太小，会引起控制动作过于频繁，达不到稳定控制的目的，e的值过大，则引起系统大的滞后：对于纯滞后的系统可以应用Smith预估器，可以得到很好的控制效果，但是它的前提是建立在精确对象模型的基础之上，对于一些复杂而难以用数学模型表示的系统，Smith预估的方法也会失去效果。通过比较，本着减少超调量，提高控制精度的宗旨，本论文决定应用积分分离的PID控制。
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图3.6 采用积分分离法的PID位置算法框图
3.4 温度传感器DS18B20简介
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。DS18B20数字温度传感器是美国的DALLARS公司生产的具有数模转换功能的温度传感器芯片，它体积小、接线方便，封装成后可应用于多种场合，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 3.4.1 DS18B20的连接设计
DS18B20只有三个管脚，在外部电源供电方式下，其中一只接微处理器的输入输