基于S3C44BOX芯片的單回路PlD控制器參數(shù)整定
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3 單回路控制器PID控制算法
比例積分微分控制，是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析充分證明，這種控制規(guī)律用于多數(shù)被控對(duì)象能夠獲得較滿意的控制效果。因此，在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中廣泛地采用PID控制規(guī)律。
PID算法的離散化對(duì)被控對(duì)象的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的研究表明，由于絕大多數(shù)系統(tǒng)中存在儲(chǔ)能部件，使系統(tǒng)對(duì)外作用有一定的慣性，這種慣性可以用時(shí)間常數(shù)來表征。另外，在能量和信息傳輸時(shí)還會(huì)因管道、長線等原因引入一些時(shí)間上的滯后。在工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制中，總是會(huì)存在外界的干擾和系統(tǒng)中各種參數(shù)的變化，它們將會(huì)使系統(tǒng)性能變差。為了改善系統(tǒng)性能，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，除了按偏差的比例調(diào)節(jié)以外，引入偏差的積分，以克服余差，提高精度，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力：引入偏差的微分來克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此構(gòu)成的單參數(shù)PID控制回路
e(t)=R-y(t) (1)
式(1)中y(t)是被控變量，R是y(t)的設(shè)定值。e(t)是調(diào)節(jié)器的輸入偏差，后面將見到的u(t)是調(diào)節(jié)器輸出的控制量，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)通常利用采樣方式實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的各個(gè)回路進(jìn)行巡回檢測和控制，它屬于采樣調(diào)節(jié)。
設(shè)計(jì)中的單回路控制器采用的數(shù)字PID算法由軟件實(shí)現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢講行控制。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此PID控制律的實(shí)現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即作如下近似變換：
式(2)中，k——采樣序號(hào)，k=1，2…，T——采樣周期。
顯然，上述離散化過程中，采樣時(shí)間必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達(dá)式為：
式中，k——采樣序號(hào)，k=0，1，2……；u(k)——第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)——第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI——積分系數(shù)，
。該系統(tǒng)采用的是增量式PID控制算法，即指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量△u(k)，該算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。
根據(jù)遞推原理可得
4 仿真說明
事先給定系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)
，分析這個(gè)傳遞函數(shù)，可以認(rèn)為它是由2個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成的：1)慣性環(huán)節(jié)是
，2)慣性環(huán)節(jié)是
。根據(jù)調(diào)節(jié)器的選型原理，在ARM7S3C44BOX芯片的處理下，在回路中采用PID調(diào)節(jié)器。對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，直到控制效果比較令人滿意。整個(gè)過程都是在SIMULINK環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。利用SIMULINK環(huán)境中的仿真軟件搭建的串級(jí)控制系統(tǒng)模型圖如圖3所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/161085.htm
該系統(tǒng)要做的仿真驗(yàn)證是：采用ARM7S3C44BOX芯片進(jìn)行PID參數(shù)整定要比采用普通的89C51單片機(jī)芯片進(jìn)行PID參數(shù)整定的效果好。在單回路控制系統(tǒng)的輸入端輸入一個(gè)階躍信號(hào)，在示波器中得到的仿真圖如圖4、5所示。
可以明顯的看到，圖4所示的仿真曲線，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差過大，穩(wěn)定性不是很好。圖5所示的仿真曲線，過渡過程非常平穩(wěn)，超調(diào)量不大，曲線的波動(dòng)不大，穩(wěn)定性好。
5 結(jié)論
單回路控制系統(tǒng)是最基本，結(jié)構(gòu)最簡單的一種控制系統(tǒng)。但它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)。因此，這種簡捷方便的參數(shù)整定方法具有一定的實(shí)用性。本文采用ARM7S3C44BOX芯片進(jìn)行單回路PID參數(shù)調(diào)試，與89C51單片機(jī)芯片相比較，體現(xiàn)出強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，過渡過程非常平穩(wěn)，在控制上達(dá)到了平穩(wěn)、迅速、準(zhǔn)確跟蹤設(shè)定值的要求，控制效果良好。
評(píng)論