基于ARM的便携式PID参数自整定控制器设计

陈子珍，阎威武

(1. 宁波职业技术学院 海天学院，浙江 宁波 315800；2. 上海交通大学 自动化系，上海 200030)

过程控制系统是一类应用较广泛的调节系统，对工业生产过程中的工艺参数进行自动控制。而PID控制是工业过程控制中应用较广泛的控制规律[1]，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，得不到精确的数学模型，或者控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来实现，这时应用PID控制技术最为方便。即当使用者不了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，PID控制技术是最适合使用的控制技术[2]。现在的工业过程控制领域仍有近90%的回路应用PID控制策略[3-4]，但是PID参数的整定有一定的难度。因此，针对各种工业过程控制的实际需求，笔者研制了一种适用于工程现场，结构简单、使用方便的便携式PID参数自整定器[5]，具有重要的理论意义和使用价值。

1 PID参数自整定算法设计[6-7]

由于理想继电反馈在有负载扰动时使系统能对称输出，会导致整定的PID参数存在误差，而且理想继电反馈也不能得到控制过程的静态增益。因此，笔者引入1个输入滞环继电环节来辨识控制对象的传递函数，从而能够获得控制对象的静态增益，减小辨识误差。具有输入滞环继电环节控制系统如图1所示。

图1 具有输入滞环继电环节控制系统结构示意

假设被控对象是二阶加滞后模型，即：

(1)

PID控制器：

(2)

系统的传递函数：

(3)

可以得到PID控制器的3个参数为

(4)

(5)

(6)

式中：a=T1T2;b=T1+T2。通过设定参数τ，可以方便调节PID控制器参数。

2 系统硬件设计

2.1 自整定器结构及工作原理

文中所设计的PID参数自整定控制器主要针对SISO系统[6]，系统结构如图2所示。由图2可以看出，当自整定器工作时，需要将自整定器接入到PID控制器的前端，为使参数整定过程对生产过程造成的干扰尽可能小，自整定时采用的是闭环在线整定测试，即让PID控制器和被控对象组成1个内部回路，自整定器作用于该内部回路，避免了开环测试对被控对象平稳运行造成的影响。

图2 基于ARM微控制器的PID参数

2.2 系统硬件结构与功能分析

便携式PID参数自整定器根据PID参数自整定的原理和实现的功能，能够自动整定PID参数。基于ARM微控制器设计的系统硬件结构如图3所示，其软硬件具备以下功能：

1)完成PID自整定算法。

2)采集2路4～20mA电流信号。

3)根据PID自整定算法的要求，输出4～20mA的电流控制信号。

4)人机接口。通过键盘进行参数的设置、修改，并能够将一些实时信息以及整定的结果等通过LCD显示出来。

5)采用电池供电。

6)可以与微机通信进行功能扩展。

图3 PID参数自整定器硬件结构示意

3 自整定方法的实现

自整定工作模式分为手动模式和自动模式。在手动模式下，用户设定SP值和控制量MV值，设定的SP值与采样的输出量PV值不断进行比较，根据比较结果选择改变MV的值。在自动模式下，用户只需输入设定值SP，系统执行自整定功能。

3.1 系统平衡态获得过程

1)设定SP值。MV的值从1V自动增加。

2)比较PV与SP值。如不相等，PV以±0.03V的幅值进行不断调整。

3)调整PV值。连续采样5个PV值与SP值比较，误差若小于2%时，系统认为获得平衡态。

4)超调补偿(PV值大于SV值的情况)。通过修正MV值来获得平衡态。

平衡态的获得过程如图4所示。系统处于平衡状态后，通过平衡态点的输出噪声获得滞后宽度d，获得方法如图5所示。

图4 系统平衡态的获得过程示意

图5 继电器滞后宽度的获取方法

3.2 继电反馈自整定过程

1)自整定条件。系统处于平衡态，得到滞后宽度。

2)MV值调整。当系统处于平衡态，以MV的值为基础增加，增加幅值为MV值的5%或者0.1V(取两者中较小的值)。

3)PV值采样。采样的PV值与滞后宽度比较，若PV值不等于滞后宽度，通过调整MV值(增加或减小，调整幅值为继电器的幅值)调整PV值。

4)PV值确定。重复MV的调整过程，得到10个稳定振荡，由10个稳定振荡(振荡周期和PV的值用4～8次的5个振荡周期来计算)得到的PV值确定PID参数的Ku与Tu，实现参数自整定过程。算法流程如图6所示。

图6 算法流程示意

振荡周期的计算方法：取5个周期中采样值的平均值，然后用该平均值乘以采样周期。

4 结束语

PID是过程控制中最常使用的一种控制算法。而ARM是一种典型的嵌入式微控制器，具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多种领域，能够支持Linux，Symbian OS和Windows CE等操作系统。文中结合PID自整定理论与ARM微控制器的丰富资源，设计了便携式PID参数自整定控制器，对常规的工程整定方法——Ziegler-Nichols整定法进行了研究，设计实现了使用继电反馈辨识法自整定PID参数，使系统工作在最优状态。

参考文献：

[1]方康玲．过程控制系统[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2002.

[2]张燕红．模糊自适应PID参数自整定控制器的研究[J]．工业控制计算机，2012(8)：58-59.

[3]韩曾晋．自适应控制[M]．北京：清华大学出版社，1995.

[4]宋洪法，靳其兵，赵梅．基于改进遗传算法的PID参数整定策略[J]．北京化工大学学报，2005，32(2)：101-103.

[5]徐江华．自整定PID控制的理论、软件及应用研究[D]．上海：上海交通大学，2004.

[6]李清泉，郭莉．智能PID调节器[J]．自动化学报，1993，19(3)：336-339.

[7]ASTROM K J， HAGGLUND T． The Future of PID Control[J]． Control Engineering Practice， 2001， 9(11)， 1163-1175.

[8]郝晓弘，杜旭红，王永奇.模糊自适应PID控制的双闭环风压调节系统[J].自动化仪表，2012，30(10)：34-38．

[9]张金焕.PID控制系统和模糊自适应PID控制系统的研究及比较[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版)，2005(05)：292-296．

[10]叶俊华.基于ARM11的嵌入式视频处理终端设计[D].长沙：中南大学，2009.