基于ARM的便攜式PID參數自整定控制器設計

陳子珍，閻威武

(1. 寧波職業技術學院 海天學院，浙江 寧波 315800；2. 上海交通大學 自動化系，上海 200030)

過程控制系統是一類應用較廣泛的調節系統，對工業生產過程中的工藝參數進行自動控制。而PID控制是工業過程控制中應用較廣泛的控制規律[1]，其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，得不到精確的數學模型，或者控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來實現，這時應用PID控制技術最為方便。即當使用者不了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，PID控制技術是最適合使用的控制技術[2]?，F在的工業過程控制領域仍有近90%的回路應用PID控制策略[3-4]，但是PID參數的整定有一定的難度。因此，針對各種工業過程控制的實際需求，筆者研制了一種適用于工程現場，結構簡單、使用方便的便攜式PID參數自整定器[5]，具有重要的理論意義和使用價值。

1 PID參數自整定算法設計[6-7]

由于理想繼電反饋在有負載擾動時使系統能對稱輸出，會導致整定的PID參數存在誤差，而且理想繼電反饋也不能得到控制過程的靜態增益。因此，筆者引入1個輸入滯環繼電環節來辨識控制對象的傳遞函數，從而能夠獲得控制對象的靜態增益，減小辨識誤差。具有輸入滯環繼電環節控制系統如圖1所示。

圖1 具有輸入滯環繼電環節控制系統結構示意

假設被控對象是二階加滯后模型，即：

(1)

PID控制器：

(2)

系統的傳遞函數：

(3)

可以得到PID控制器的3個參數為

(4)

(5)

(6)

式中：a=T1T2;b=T1+T2。通過設定參數τ，可以方便調節PID控制器參數。

2 系統硬件設計

2.1 自整定器結構及工作原理

文中所設計的PID參數自整定控制器主要針對SISO系統[6]，系統結構如圖2所示。由圖2可以看出，當自整定器工作時，需要將自整定器接入到PID控制器的前端，為使參數整定過程對生產過程造成的干擾盡可能小，自整定時采用的是閉環在線整定測試，即讓PID控制器和被控對象組成1個內部回路，自整定器作用于該內部回路，避免了開環測試對被控對象平穩運行造成的影響。

圖2 基于ARM微控制器的PID參數

2.2 系統硬件結構與功能分析

便攜式PID參數自整定器根據PID參數自整定的原理和實現的功能，能夠自動整定PID參數?；贏RM微控制器設計的系統硬件結構如圖3所示，其軟硬件具備以下功能：

1)完成PID自整定算法。

2)采集2路4～20mA電流信號。

3)根據PID自整定算法的要求，輸出4～20mA的電流控制信號。

4)人機接口。通過鍵盤進行參數的設置、修改，并能夠將一些實時信息以及整定的結果等通過LCD顯示出來。

5)采用電池供電。

6)可以與微機通信進行功能擴展。

圖3 PID參數自整定器硬件結構示意

3 自整定方法的實現

自整定工作模式分為手動模式和自動模式。在手動模式下，用戶設定SP值和控制量MV值，設定的SP值與采樣的輸出量PV值不斷進行比較，根據比較結果選擇改變MV的值。在自動模式下，用戶只需輸入設定值SP，系統執行自整定功能。

3.1 系統平衡態獲得過程

1)設定SP值。MV的值從1V自動增加。

2)比較PV與SP值。如不相等，PV以±0.03V的幅值進行不斷調整。

3)調整PV值。連續采樣5個PV值與SP值比較，誤差若小于2%時，系統認為獲得平衡態。

4)超調補償(PV值大于SV值的情況)。通過修正MV值來獲得平衡態。

平衡態的獲得過程如圖4所示。系統處于平衡狀態后，通過平衡態點的輸出噪聲獲得滯后寬度d，獲得方法如圖5所示。

圖4 系統平衡態的獲得過程示意

圖5 繼電器滯后寬度的獲取方法

3.2 繼電反饋自整定過程

1)自整定條件。系統處于平衡態，得到滯后寬度。

2)MV值調整。當系統處于平衡態，以MV的值為基礎增加，增加幅值為MV值的5%或者0.1V(取兩者中較小的值)。

3)PV值采樣。采樣的PV值與滯后寬度比較，若PV值不等于滯后寬度，通過調整MV值(增加或減小，調整幅值為繼電器的幅值)調整PV值。

4)PV值確定。重復MV的調整過程，得到10個穩定振蕩，由10個穩定振蕩(振蕩周期和PV的值用4～8次的5個振蕩周期來計算)得到的PV值確定PID參數的Ku與Tu，實現參數自整定過程。算法流程如圖6所示。

圖6 算法流程示意

振蕩周期的計算方法：取5個周期中采樣值的平均值，然后用該平均值乘以采樣周期。

4 結束語

PID是過程控制中最常使用的一種控制算法。而ARM是一種典型的嵌入式微控制器，具有性能高、成本低和能耗小的特點，適用于多種領域，能夠支持Linux，Symbian OS和Windows CE等操作系統。文中結合PID自整定理論與ARM微控制器的豐富資源，設計了便攜式PID參數自整定控制器，對常規的工程整定方法——Ziegler-Nichols整定法進行了研究，設計實現了使用繼電反饋辨識法自整定PID參數，使系統工作在最優狀態。

參考文獻：

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