采用DSP實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)中的PID算法

1、總第158期艦船電子工程Vo.l27No.22007年第2期ShipElectronicEngineering 188 基于DSP的PID溫度控制系統(tǒng)鄭 磊(東南大學(xué)自動(dòng)控制系 南京 210096)*摘 要 在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)、家庭生活等各個(gè)領(lǐng)域,溫度控制得到了廣泛的應(yīng)用,但是一般的溫度控制系統(tǒng)有超調(diào)量大,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等不足,為此研究以TMS320C549為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PID控制算法在溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用,提出PID算法時(shí)間最優(yōu)化與PID參數(shù)尋優(yōu)處理的方法,給出基于DSP實(shí)現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)快,無(wú)超調(diào)量的目的。關(guān)鍵詞 PID控制算法;DSP;時(shí)間最優(yōu)化;PID參數(shù)優(yōu)化中圖分類(lèi)

2、號(hào) TP202+1 引言PID控制是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的一種控制策略,由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性較好、可靠性高,被廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。由于PID控制器參數(shù)直接影響著控制效果的好壞,一般用于溫控系統(tǒng)的PID算法大多在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上試湊得到,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢,超調(diào)量大。本文著重研究PID控制器參數(shù)的整定與最優(yōu)化問(wèn)題,充分利用數(shù)字信號(hào)處理器能夠快速進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、可靠性高、可編程性強(qiáng)、適用于高速數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出一種采用數(shù)字信號(hào)處理器作為控制核心的PID溫度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了無(wú)超調(diào),響應(yīng)時(shí)間短的目的,并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。等原因,僅使用傳統(tǒng)算法尋找一組合適的PID參數(shù)對(duì)要求控制范圍

3、寬、響應(yīng)快、連續(xù)可調(diào)的本系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控相當(dāng)困難,下面我們使用時(shí)間控制算法結(jié)合單純形PID參數(shù)優(yōu)化法,對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行控制取得了滿(mǎn)意的效果。圖1 溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.2 時(shí)間最優(yōu)控制時(shí)間最優(yōu)控制又稱(chēng)快速控制,即控制系統(tǒng)的給定值由一個(gè)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)渡時(shí)間最短。從理論上可以證明,對(duì)于一個(gè)線(xiàn)性定?？刂葡到y(tǒng),有:#2 系統(tǒng)描述本系統(tǒng)的傳遞函數(shù)從結(jié)構(gòu)上由加熱器的傳遞函數(shù)G(S)=(s)=K1-Sse、感溫元件的傳遞函數(shù)WT1S+1X(t)=AX(t)+Bu(t)y(t)=CX(t)(1)K2和一個(gè)飽和特性環(huán)節(jié)M(s)三部分組T2s+1式中,X(t)-狀態(tài)向量,u(t)-控制向量,y(t)-

4、輸出向量,A,B,C-常數(shù)矩陣。由初始狀態(tài)X(t)=X0,到終端狀態(tài)X(tf)=0的時(shí)間最短,即:tf成,其中K1、K2、T1、T2為測(cè)定常數(shù)。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1,其中被控對(duì)象為H(s)=G(s)*M(s),控制器為P(s),其中參數(shù)Kp、Ki、Kd待定。J=mindt=min(tf-t0)t0Q3 PID算法3.1 PID算法由于本系統(tǒng)復(fù)雜性,變量間的關(guān)聯(lián)性和非線(xiàn)性(約束條件:|ui(t)|1)要求最優(yōu)控制是:|ui(t)|=1(i=1,2,)(2)在本系統(tǒng)中,我們采取的是式(3)所裁決的控制方案,即:*收稿日期:2006年8月16日,修回日期:2006年12月4日作者簡(jiǎn)介:鄭磊,男,主要研究方

5、向?yàn)镈SP技術(shù),模式識(shí)別。2007年第2期艦船電子工程|r(n)-y(n)|=|e(n)|>A快速控制<APID控制2(3)核心控制部分。TMS320C54X是TI公司TMS320系列芯片中新一代16-bit定點(diǎn)DSP,適合于高速的數(shù)字信號(hào)處理。它擁有100MIPS運(yùn)算速度,同時(shí)4級(jí)流水操作用于延遲分支、調(diào)用和返回指令,對(duì)于本系統(tǒng)而言都是顯著的提高13.3 PID參數(shù)的整定與優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器數(shù)學(xué)模型為:tu(t)=Kpe(t)+KiQe(S)dS+Kddt。(4)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示.前向通道為溫度采集,后向通道為功率控制,鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示構(gòu)成人機(jī)交互通道。式中:e(t)、u(

6、t)分別為PID控制器的輸入與輸出。其控制作用u(t)由誤差e(t)的比例、積分、微分三項(xiàng)之和給出。采用差分法對(duì)式(4)式進(jìn)行處理后得出離散化后PID輸出算式:ui=KpKdEei+(ei-ei-1)+u0ei+Ti=0KiK(5)圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖4.2 測(cè)量電路部分一般市場(chǎng)上多是采用熱敏電阻Pt100,可滿(mǎn)足40bC至90bC測(cè)量范圍,可以直接與水接觸測(cè)溫。但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差,并且需要用到十分復(fù)雜的算法,一定程度上不但增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。而且使用運(yùn)放等模擬器件時(shí)需要考慮和數(shù)字電路的接口。本系統(tǒng)使用數(shù)字溫度計(jì)DS18B20,它是產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器,該芯片可以直接將

7、現(xiàn)場(chǎng)溫度以/一線(xiàn)總線(xiàn)0的數(shù)字方式傳輸給數(shù)字處理芯片TMS320C549,便于TMS320C549的處理及控制。使用DS18B20集成芯片,適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量,同時(shí)轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換精度高,能有效地降低成本,縮短開(kāi)發(fā)周期,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性和測(cè)量的精度,簡(jiǎn)化了電路的硬件結(jié)構(gòu)。DSPTMS320C549和DS18B20的連接如圖4,其中DS18B20的VCC接3V,DQ通過(guò)4.7k電阻上拉接在3V的外部電源上,然后與DSP的BDX0端口相連,工作在I/O模式下,GND端直接接地。4.3 加熱控制器電路加熱部分使用固態(tài)繼電器(SSR)控制。SSR是全固態(tài)電子元件組成,由電路的工作狀態(tài)變

8、換實(shí)現(xiàn)/通0和/斷0的開(kāi)關(guān)功能,沒(méi)有電接觸點(diǎn),具圖5 SSR接口圖4PID控制中的比例增益、積分增益和微分增益都是按一定的控制性能要求,整定出一組固定的參數(shù)。PID控制器參數(shù)自尋優(yōu)就是一個(gè)優(yōu)化Kp、K、iKd的過(guò)程,其優(yōu)化原理如圖2所示:圖2 PID優(yōu)化設(shè)計(jì)原理圖對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題,最重要的是選取目標(biāo)函數(shù)。不同的優(yōu)化指標(biāo)所需要的控制是不同的,其目標(biāo)函數(shù)也就不一樣。例如J1=圖4 溫度采集電路接口圖DALLAS公司生EKei考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)i=O定性和準(zhǔn)確性;不僅考慮了穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,還考慮了系統(tǒng)的快速性。由于在本系統(tǒng)中需要考慮控制能量大、無(wú)超調(diào)等指標(biāo),所以我們選用目標(biāo)函數(shù)J2=EKi=O*ie,D參數(shù)

9、的尋i采用單純形法進(jìn)行PI優(yōu)。單純形法的基本思想如下:給定Rn中一個(gè)單純形,求出n+1個(gè)頂點(diǎn)上的函數(shù)值,確定最大函數(shù)值點(diǎn),最小函數(shù)值點(diǎn)和二者之間的點(diǎn),然后通過(guò)反射,擴(kuò)展和壓縮等方法求出一個(gè)較好的點(diǎn),以取代最高點(diǎn)而構(gòu)成一個(gè)新的單純形,或者通過(guò)向最低點(diǎn)收縮而形成一個(gè)新的單純形,以逼近或確定極小值點(diǎn),即得到要求的參數(shù)值。通過(guò)算法尋優(yōu),確定出使目標(biāo)函數(shù)J2最佳的誤差e,也就整定了尋優(yōu)參數(shù)Kp、Ki、Kd的值。4 硬件方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4.1 主控制部分在本系統(tǒng)中由一片TMS320C549DSP芯片和一片EPROM構(gòu)成的DSP最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的備一系列鄭 磊:基于DSP的PID溫度控制系統(tǒng)總第158期的優(yōu)

10、點(diǎn),工作高可靠、長(zhǎng)壽命、無(wú)動(dòng)作噪聲、耐振耐機(jī)械沖擊、安裝位置無(wú)限制、很容易用絕緣防水材料灌封做成全密封形式,對(duì)本系統(tǒng)有很好的防水性能。它的輸出電路是在DSP觸發(fā)信號(hào)的控制下,實(shí)現(xiàn)通斷切換。實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電的控制?？刂菩盘?hào)由DSP的BDX2端口輸出,經(jīng)過(guò)達(dá)林頓管ULN2003驅(qū)動(dòng)SSR,電路接口圖如圖5:5 軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、顯示子程序、DS18B20驅(qū)動(dòng)子程序等構(gòu)成。主程序在DSP上電時(shí)運(yùn)行,職能是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作:接收開(kāi)關(guān)指令;調(diào)用顯示和溫度采集子程序等,控制子程序主要是PID算法實(shí)現(xiàn)。下圖分別是主程序和驅(qū)動(dòng)子程序的流程圖。圖6主程序流程圖圖7 控制子程序流程圖分鐘,超

11、調(diào)量為7e。進(jìn)行PID控制參數(shù)的最優(yōu)化計(jì)算,選取的初值Kp=11.0、Ki=0、Kd=0.05,尋優(yōu)過(guò)程耗時(shí)23s,得到的PID參數(shù)為Kp=14.3,Ki=0.3,Kd=0.093,同樣的實(shí)驗(yàn)條件,基于單片機(jī)AT89S52的系統(tǒng),需要時(shí)間7.0分鐘,超調(diào)量為2e,而基于DSP芯片TMS320C549的系統(tǒng),加熱時(shí)間為6.5分鐘,超調(diào)量為0.2e,在本系統(tǒng)中,可近似為零。6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論對(duì)于上述系統(tǒng),未經(jīng)PID優(yōu)化算法之前,在室溫30e的環(huán)境里,將初始溫度為22e的20L水,在敞口玻璃容器內(nèi),用8KW的加熱器加熱到55e,基于DSP芯片TMS320C549的系統(tǒng),需要時(shí)間9.4圖8 基于DSP

12、未經(jīng)PID優(yōu)化算法的水溫曲線(xiàn)圖9 基于單片機(jī)PID優(yōu)化后的水溫曲線(xiàn)圖10 基于DSP的PID優(yōu)化后的水溫曲線(xiàn)參考文獻(xiàn)圖8與圖10對(duì)比可以看出,經(jīng)過(guò)PID參數(shù)優(yōu)化后,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能大大改善,超調(diào)量消失了,響應(yīng)變快。圖9與圖10對(duì)比可以看出基于DSP的系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)越于基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)。7 結(jié)束語(yǔ)實(shí)驗(yàn)表明:基于DSP的PID溫度控制系統(tǒng),優(yōu)越于基于單片機(jī)AT89S52的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有了相當(dāng)大的改善,響應(yīng)時(shí)間縮短,超調(diào)量消失,具有很好的精確度和穩(wěn)定性,DSP的高速運(yùn)算能力從硬件上保證了PID控制策略的可靠性、精度和實(shí)時(shí)性,潛在的計(jì)算能力還可以實(shí)現(xiàn)控制的人機(jī)界面等功能。1張雄偉,陳亮,

13、徐光輝.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2005,102張磊.基于單純形法的PID控制器的最優(yōu)設(shè)計(jì)J.2004,(3)3田玉平,蔣珉,李世華.自動(dòng)控制原理M.北京:電子工業(yè)出版社,2002,84周杏鵬,仇國(guó)富,王壽榮等。現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2004,75譚經(jīng)緯,司群,臧英新,陶友傳。比例先行數(shù)字PID控制器的仿真J.艦船電子工程,2005,(5)6過(guò)潤(rùn)秋,任曉強(qiáng)?；贒SP的加速度計(jì)溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)J.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,(1)7胡林艷,胡志成,唐小萍。基于DSP的PWM溫度控制系統(tǒng)J.電工技術(shù),2004,(11)ShipElectronicE

14、ngineering oflocalequipments,andthencalculatestheparametersofpowerqualityusingDSP,finallytheresultscalculatedwillbesentthroughEthernetandsavedinmemorizer.Keywords digitalsignalprocessing,measurementanddetectior,synchronousdatasamnling(Page:186)Index(Vo.l27No.2)AppliedforFourierTransformonTimeDomainR

15、CSMeasurementsby WuQihuaAbstract BasedonbasalprincipleofRCSandFouriertransform,thepaperintroducestmiedomainRCSmeas-urementsofshipusingfastfouriertransform,andanaly-sestheadvantageoftmiedomainmeasurementsandtheapplicationofFFTintmiedomainmeasurements.Asaresult,usingthetechniqueoffouriertransformintmi

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17、commonlifeandsoon.Howeverusuallytemperaturecontrolsystemhaslargeovershootandadverselylongresponsetmie.SointhispaperchoosesTMS320C549toapplyPIDintoonetemperaturecontrolsystem.Thissys-temisbasedonDSPandmakesPIDasitscore.Whats'more,wedevelopedPIDalgorithmbytmie-optmiizingandparameter-optmiizing.Exp

18、ermientvalidated,thissystemhasmuchshorterresponsetmieandnoover-shoot.Keywords PIDcontrolalgorithms,DSP,tmieoptmi-ization,optmiizeparameters(Page:188)ControlTechnologyandMeasuresofShipElec-tromagneticCompatibilityby BiJimingAbstract Thispaperanalysestheharmandinfluenceofelectronmageticinterferencewhi

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21、flowfrequencymagneticfield.Theapparatuscand-irectdisplaythree-dmiensionalwaveofspacemagneticfieldintmie.Thedesignoftheset/resetcircuitforthethree-dmiensionalsensormiprovesthereliabilityandtheaccuracyoftheachievement.Keywords lowfrequencymagneticfield,broadband,three-dmiensionaltestintmie,set/reset(P

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