IEEE1588時鐘同步系統的PID控制實現路徑

文/孟飛 詹承華

EE1588 同步協議的主要想法是同步網絡設備（客戶）的時鐘與主控制時鐘，把軟硬件緊密耦合，從而實現亞微秒級時間同步的精度。主要應用于以太網中的設備時鐘同步，但不限于以太網，也能實現其它網絡中的時鐘同步功能，同時結合PID 進行相位調整的方法，使其更加精確。

1 PID的基本內容

PID 控制是目前應用最廣泛的控制方法。該系統運行可靠，結構簡單，具有一定的穩定性。只有三個參數需要設置：根據系統偏差E（t）（即設定目標值R（t）與實際輸出值Y（t）之差），利用系統內部比例、積分和微分三種計算方式，將三種功能的結果結合起來。以獲得輸出U（T）控制系統，實現控制效果。

在PID 控制中，比例環節的作用是按比例減小偏差值E（t）。而積分環節則是用來消除靜差，提高系統的精度和無差的程度，在PID 控制中，積分作用的強度與數值成反比；微分環節是反映偏差值變化的指標。當超調量過大時，可增加校正指令，防止對系統的不利影響，縮短調節時間，改善動態特性。通過以上環節的結合，理論上可以達到較好的控制效果。PID 控制的有效性取決于數學模型的精度，但實際工程問題大多是時變非線性的，存在許多不確定性，因此傳統的PID 控制往往難以適應實際工況，性能較差。

2 IEEE1588時鐘同步系統的原理及實現

2.1 簡述IEEE1588時鐘同步系統的原理

它以主從模式工作，時鐘校準是根據時鐘的同步信息完成的。主時鐘發送同步消息具有周期性，從時鐘會依據收到消息的具體的時間戳信息來計算消息傳輸的時間、延遲甚至是主從線上的時鐘偏移量，從而對本地的時間進行相應的調整，使從時鐘與主時鐘之間保持在同一時間。在時鐘同步過程中，通過時鐘偏移以及網絡延遲測量這兩個相位。，在時鐘偏移量測量階段，主時鐘依次從時鐘同步消息和消息發送，接收到來自時鐘的消息并記錄時間戳。在網絡延遲的測量階段中，根據時鐘延遲請求報紙的發送以及接收對應的通知，從而記錄發送然后接收的時間戳。當從同步時鐘周期撥打記錄的四個要求時，計算時鐘誤差和網絡延遲，改變本地時鐘，重復該過程從而保持時鐘同步。

2.2 簡述IEEE1588時鐘同步系統的協議

（1）時鐘同步模塊分為兩部分：主控模塊和網絡通信模塊，在時鐘同步模塊中，主控模塊配有微控制器、實時時鐘、串行口以及USB 接口。網絡的通信模塊配置的主要控制模塊有電源的模塊、必要的GPIO 接口以及網絡接口模塊。應該選擇主控制芯片STM32F107VC 因為它能提供MII 接口的。支持DP83640L 的是以太網的通信模塊PHY芯片，且其具有精確的時鐘同步功能。在高精度的芯片內部，由硬件執行時間戳功能的IEEE1588 時鐘，可以在包內發送和接收物理播放時間標記。無論什么樣的工作模式，都可以確定消息發送以及接收的精準時間。

（2）系統軟硬件設計和提高IEEE1588時鐘同步精度是提高時間戳精度的關鍵。并且越接近物理層，時間戳的精度越高，同步系統就可以達到同步精度。物理層芯片DP83640集成了發送和接收數據包的能力，建立了時間戳硬件標記時間戳（C），它能準確地反映IEEE1588 報文的實際發送和接收時間，能消除協議棧的時間延遲和抖動，從而計算出報文在傳輸端的延遲時間。任務路徑和主從時鐘偏差更準確。在此基礎上，硬件時鐘同步模塊采用了標簽時間戳的方法IEEE1588 協議。以GPS 時鐘為基準時鐘源，并通過UDP/IP 通信系統進行時鐘同步。

時鐘同步模塊軟件的部分，由驅動程序、協議層、應用層組成，完成的是底層的硬件控制、人機交互等功能，驅動層又分為三個部分：標準驅動、以太網驅動和抑制PTP的時鐘驅動；協議層分為兩部分：TCP 和IP 協議，應用層分為四部分：串行口的通信、精確時間同步、以太網通信、實時時鐘等。在協議層當中，嵌入式TCP/IP 協議棧利用了LWLP LWLP 以太網協議棧來實現接收信息中的中斷響應機制，當MAC 接收到網絡信號，來觸發以太網中斷，主控芯片實行中斷功能，先進行底層處理的功能，然后進入P。類似的是：協議棧；應用層協議通過協議棧發送LWLP 協議棧，讓以太網信息逐步傳遞到MAC 層，這稱之為處理函數的相關底層。

3 PID技術在時鐘同步系統中參數的整定方法

PID 參數整定的方法是采用帶kp、積分系數ki 以及微分系數kd 以完成調節器的確定。通過理論計算是可以確定的，就是誤差比較大。在目前主要采用方法是工程整定法、經驗法、反應曲線法、臨界比帶法、衰減曲線法等等。本文采用就是單中的經驗試錯法，大致過程如下：

（1）給出參數值kp、ki，改變控制系統的給定值然后施加擾動，進行觀察判斷然后控制曲線的形狀。如果曲線不夠完美，就可以改變kp 或者ki，多次進行嘗試，直到控制曲線可以完全滿足動態過程質量要求為止。因為在這種情況下，kp 和ki 是最佳參數值。

（2）依據為kp 和ki 集再加上微分參數。因為微分作用是具有抵抗偏差能力的，所以在確定kd 值之后，可以適當的將以前設置的kp和ki 值減少，多次進行試驗，直到kp、ki 和kd 達到最佳值為止。雖然經驗試錯法所設定的參數是對的，但它需要更多的時間。如果先要減少時間，我們應看一下以下幾點：

（1）要依據控制對象具有的特點確定初始得參數值kp、ki 和kd。再結合實際運行中控制系統的參數值，使初始參數接近其理想值集，從而試驗次數。

（2）在試驗過程中，如果發現控制變量變化慢，不能夠快速的達到穩定值，都是kp 過大、ki 過長造成的，兩者不同的是：kp 過大，導致曲線浮動過大形成不規則變化，ki 過長，曲線會存在振蕩分量，然后接近給定值。進而會根據曲線的形狀而改變kp 或ki。

（3）kp 和ki 臺小，而kd 過多導致了振蕩衰減緩慢不衰減，如果差異kp 過小，則振蕩周期短；Ki 太短的話振蕩的周期長。kd 長的話振蕩周期是最短的。

4 總結

本文首先對時鐘同步系統進行數學建模，然后基于MATLAB 進行仿真建模。建立了PID 控制器，對KP、KI 和KD 參數進行調節。通過生成的控制曲線來評價這組參數的控制效果。在時鐘同步系統上對所得到的參數進行了驗證，減少了實驗的時間和工作量。結果令人滿意。然而，平衡中的小振蕩等問題需要改進。在簡單的PID 控制中加入模糊控制，對PID控制器進行優化設計。