STM32的PID温控

                      STM32的 PID和PWM墨水温度控制系统

控制方案：

K_SENSOR热电偶作为温度传感器，50w电烙铁作为加温设备作为控制对象，预先设定一个温度值，微处理器为ARM公司Cortex-M3内核，STM32F103ZET6型号，开发板需用3.3v供电运行。采用MAX6675芯片作为K型热电偶信号调理电路，它将从热电偶读取温度值并转换为12位数字量存储在内部存储器中，其三根外部通信线与STM32开发板相连，对应SDIO_CMD、SDIO_CK、SDIO_D3，进行数据的读取传输。考虑意外断电时用户设定数据值与PID参数等的保存，采用具有断电保存数据功能的24C202芯片，将其两引脚与STM32中TIM4 CH2与TIM4 CH1相连通信，相关数据便可写入进24C202芯片进行后备保存，液晶屏作为显示温度的器件。固态继电器受控于三极管，三极管受控于光电耦合器，光电耦合器接开发板outputPB8管脚。STM32端口信号输出时经PID控制算法计算得出数据，相应的控制PB8输出电平的PWM脉冲信号宽度，通过改变PB8输出电平的高低宽度进而控制加热器的工作状态。

1 位式控制算法

1 位式控制算法输出信号只有H,L两种状态。Sv用户设定值，Pv控制对象当前值。
2 算法输出信号OUT的依据：
Pv < Sv时，信号输出H； Pv >= Sv时，信号输出L。此方式是二位式输出信号，当控制对象是1000w的加热器，用户设定值为100摄氏度，传感器反馈回来的值小于100度时，系统输出H信号加热器按照额定功率工作；当传感器反馈回来的值大于等于100度时，系统输出L信号加热器立即停止工作。
3 只考察控制对象当前的状态值
此算法使得系统只有两种输出状态，大功率运行或者完全不工作，结果导致传感器反馈回来的温度值总是在设定温度值上下浮动。特别的，，位式控制算法主要考虑现在时间控制对象的状态，控制对象加热器具有热的惯性，无法实现温度的有效控制。
2 PID控制算法

算法分析：
1 从开机以来传感器的所有采样点的数据序列
X1 、 X2 、 X3 …… …… Xk-2 、 Xk-1 、 Xk
2 分析采样点的数据序列，可挖掘三方面信息

比例控制：
若差值越大表明实际与设定值之间的偏差越大，将偏差值乘以一个系数值作为系统的输入量，则输出信号使电路导通加热时间越长；偏差值越小输入控制信号使被控对象加热工作时间越短或者不加热。例如，加热片的一个控制周期为T,利用pwm波形控制电路的导通与截止，输出信号Pout值越大则pwm波有效电平维持时间越长，反之同理。
比例控制就是根据当前偏差值比例大小输出控制信号，优点是反应快控制作用及时，其缺点在于当系统反馈值与设定值相等时，系统不输出信号处于失控状态，单纯的比例控制算法是个始终有偏差的控制算法。
②历史偏差序列

积分控制：
当历史偏差值积分结果大于0，调节器输出较强的信号；小于0，调节器输出较弱信号。只要有稳态偏差存在，调节器输出会不断变化，直到偏差值为0。但当历史积分值为0，则证明历史上系统不存在误差，却无法保证当前不存在误差。积分作用能消除单纯比例控制产生的余差，但系统的稳定性必然下降。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
③最近两次偏差相减

在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分(即偏差的变化率)成正比关系。可减小超调量，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分控制反映偏差的变化率，只有当偏差随时间变化时，微分控制才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用。因此微分控制在任何情况下不能单独与被控制对象串联使用。
3 PID算法的数学模型

4 基于STM32的PID算法

程序设计时利用C语言或汇编语言可以方便实现这个计算公式。OUT即为本次运算的结果，利用OUT可以去驱动执行机构输出对应的控制信号，例如温度控制就可以控制PWM的宽度，电磁阀就可以改变电磁线圈电流以改变阀门开度，或者是可控硅的导通角度等；这种PID算法计算出的结果（OUT值）表示当前控制器应该输出的控制量，所以称为位置式（直接输出了执行机构应该达到的状态值）。

式中：，本次偏差值；，上次偏差值；,上上此偏差值。增量式PID的计算只需要最近3次的偏差（本次偏差，上次偏差，上上次偏差），不需要处理器存储大量的历史偏差值，计算量也相对较少，容易实现。
5.STM32控制电路图设计

K型热电偶信号处理电路

温控板输出电路

6. PID参数整定
   PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
   PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
   PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P\I\D的大小。PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：
   　　温度T: P=20_60%,T=180600s,D=3-180s
   　　压力P: P=30_70%,T=24180s,
   　　液位L: P=20_80%,T=60300s,
   　　流量L: P=40_100%,T=660s。
   7 程序实现
   输出高电平停止加热，IO口置为SET；输出低电平开始加热，IO口置为RESET。主函数开始执行时，第一步将液晶屏LCD初始化，显示我们想要显示的字符；把4号定时器打开，设置10ms为产生一个更新事件，将中断函数初始化把需要用到的热电偶信号调理电路初始化，让其具备控制能力；PID参数初始化时，将我们预先经过调试法得出的部分参数输入程序，设为固定值，若运行效果不理想再继续试调；PID计算函数其最终计算结果将体现在输出端口的高低电平变化中。循环函数中，不断调用温度读取函数及PID输出计算函数，核心函数为PID计算实现。
   8 系统运行效果：