几种常用温控算法的比较与总结

        最近在做一个有关大气VOCs实时监测的项目，由于该项目要求控温精度在0.1度之内，所以就研究了一下有关温控的算法，我们知道对于一些大惯性的系统，比如加热炉、智能小车中都会用到PID（比例、积分和微分）算法，而PID算法分为二值式、位置式、增量式和分段式，当然也有模糊式等。现根据在实际项目中的应用情况将其总结如下：

        （1）二值式

        二值式温控算法只存在两个状态，不是开，就是关。常用在一些控温精度不高的场合。

        （2）位置式

        位置式PID算法由于计算量比较大，降低了单片机的运行速度，需要单片机比较大的内存，所以在实际应用中应用的比较少，除非有特除要求的场合。

        （3）增量式

        增量式PID算法相比二值式控温精度比较高，相比位置式计算量减少了许多，提高了单片机的运行速度，也增大了单片机的选择余地（内存要求降低）。为了提高温控的速度，减少温控所需要的时间，所以该增加式PID算法常与BangBang算法、大林算法相结合使用。BangBang算法和大林算法即是全功率加热，比如BangBang-PID算法通过会有一个阈值，一旦采用BangBang或大林算法升温到阈值时，就会自动切换到增量式PID算法进行控温。另外该阈值的选择是个难点，阈值小了，升温时间比较长，阈值大了，过冲量比较大，所以说该阈值的选择需要从以下两个方面去确定：升温速率、距离设定值的差值大小等方面。

        （4）分段式

        分段式PID算法虽然比模糊PID算法差一些，但是模糊PID控制大多数还停留在理论阶段，应用到实际系统的还比较少，控制效果如何还不是很确定。分段式PID算法在某些方面与模糊式PID算法有很多相近的地方，也是对信号进行阈值的划分，然后在不同的阈值阶段采用不同的控制参数。分段PID优于模糊PID的地方在于我们现有的工控机在编辑控制算法时是数字式的，模糊PID算法要想实现其功能除了要进行数据的离散化外，其用到的数据参数也比较多导致统计起来比较麻烦，经过以上对比分析，从系统的可实现性方面考虑，还是采用分段式PID算法的比较多些。

        根据项目的实际控制结果表明单纯的采用单一的PID参数进行调节要想达到较为理想的控制效果是不容易的。所以可以根据控制对象的实际情况及偏差的大小，在不同的控制阶段给定不同的PID调节参数，这样可以在偏差大的时候加大比例调节，降低积分作用，偏差小的时候减少比例作用，加大积分作用。这样既可以增加响应速度，超调量也不会太大，这就是分段PID的控制思想。  下面对普通PID与分段PID在同一控制变量下做出的反应做一下对比，他们的输出曲线如下图：

        在上图输出曲线中可以看出在目标值情况相同的情况下，分段PID的响应速度更快，达到目标值时分段PID比普通PID所用的时间少一半，所用控制系统的快速性被分段PID明显提高了。采用分段PID即是将一个控制过程进行分段控制，可以避免采用单一PID控制时对误差积累较多的缺点（采用单一PID算法时，刚开始启动时目标值与实际值的差值会很大，如果有积分变量的话，积分变量大了会导致较大的积累偏差，导致消除困难，造成系统较大的系统超调；积分变量小了会导致精差消除较慢。），这样在每一阶段都对误差进行消除，最后误差结果会小很多。分段PID算法的实现步骤：这里假定阈值a为偏差的50%，阈值b为偏差的30%。

        a、根据工程需要设置阈值a>b>0;

        b、当偏差较大，且偏差大于等于a时，采用PD控制，可加快系统响应；

        c、当偏差较小，且大于b，小于a时采用PI控制；

        d、当偏差小于b时，采用PID控制（P设的小些，I设的大些），可减少系统精差。

        以上是对几种常用PID算法的比较和总结，在实际的项目中用的比较多的是增量式PID算法和分段式PID算法，分段式PID算比单一的增量式PID算法控温速度快，精度更高，虽然分段PID算法参数整定比较繁琐些，但鉴于它的控制速度快、精度高，还是推荐使用分段PID算法应用于温度控制、电机控制等领域或项目中。