PID控制是最常的控制策略,，在工業(yè)過(guò)程控制中90%以上的控制回路具有PID結(jié)構(gòu),。PID控制之所以被廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)樗惴ê?jiǎn)單，在實(shí)際中容易被理解和實(shí)現(xiàn),，而且許多高級(jí)控制都以PID控制為基礎(chǔ),。但是由于環(huán)境的變化，使被控對(duì)象具有時(shí)變性，參數(shù)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后會(huì)出現(xiàn)性能欠佳,、適應(yīng)性變差,、控制效果下降等情況。因此,，尋求參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù),，以適應(yīng)復(fù)雜工況及高性能指標(biāo)的控制要求，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制的重要手段,，具有重大的工程實(shí)踐意義,。

　　1 自整定過(guò)程原理

　　本文主要研究了一種手持式的PID參數(shù)整定儀器，此整定儀具有整定單變量和雙變量的雙重功能,，控制系統(tǒng)主要采用低能耗的MSP430微控制器,，軟件部分采用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是IAR MSP430 V3.42A。

　　PID參數(shù)整定儀的實(shí)現(xiàn)不僅能夠簡(jiǎn)化過(guò)程控制工程師的工作量,，而且能夠改善整個(gè)PID控制領(lǐng)域的控制性能,，在能源日益緊張的今天，對(duì)于節(jié)約能源起到非常重大的作用,。自整定過(guò)程如圖1所示,。其中過(guò)程1與過(guò)程2是兩個(gè)具有耦合的過(guò)程。

　　具體過(guò)程為：整定儀提取過(guò)程的輸入輸出信號(hào),，然后通過(guò)過(guò)程模型計(jì)算部分計(jì)算出過(guò)程模型,，將過(guò)程模型參數(shù)送給整定儀的算法整定部分，根據(jù)過(guò)程模型參數(shù)如果判斷系統(tǒng)為單變量系統(tǒng)則采用幅值相位裕度法對(duì)其進(jìn)行整定,，如果為雙變量則采用RGA失調(diào)因子法對(duì)其進(jìn)行整定,，最后將整定的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

　　本文研制的便攜式PID參數(shù)整定儀主要具備如下功能：

　　(1)模擬信號(hào)輸入,。能夠采樣接入標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào),，方便信號(hào)的處理。今后在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行擴(kuò)展,，從而使其能夠接收更多的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

　　(2)模型辨識(shí)部分,。設(shè)系統(tǒng)模型為二階加滯后模型,，采用基于頻域的模型便是算法辨識(shí)出系統(tǒng)模型。

　　(3)PID參數(shù)的計(jì)算,。根據(jù)辨識(shí)的模型,，運(yùn)用幅值相位裕度法與RGA失調(diào)因子法完成。

　　對(duì)PID控制器的自整定算法;其中幅值相位裕度法整定公式為：

　　其中T為時(shí)間常數(shù),，Am為幅值裕度,，φm為相位裕度。通常情況下一般取Am≥2,，φm=30～60°,。

　　RGA失調(diào)因子法整定公式為：

　　(4)人機(jī)交互接口,。能通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、修改,，并且能夠?qū)?shí)時(shí)信息以及整定的結(jié)果等通過(guò)LCD顯示,。

　　這些功能組合構(gòu)成了便攜式的PID參數(shù)自整定器。

　　3 PID參數(shù)整定儀的硬件電路設(shè)計(jì)

　　多變量便攜式PID參數(shù)整定儀由于其可以隨身攜帶,，所以我們采用3.3V電池對(duì)其供電,。這就要求裝置盡量保持低功耗以延長(zhǎng)電池壽命，MSP430單片機(jī)正是由于其低功耗而被廣泛采用,，因此選擇MSP430F169作為PID參數(shù)整定儀的控制器,。

　　MSP430F169具體特性如下：

　　(1)低工作電壓范圍：1.8～3.6V;

　　(2)超低功耗，五種省電模式;

　　(3)從待機(jī)模式喚醒6μs;

　　(4)3通道DMA,，12-Bit A/D轉(zhuǎn)換器,，雙12-Bit D/A同步轉(zhuǎn)換器;

　　(5)串行通訊接口(USART0)，功能如異步UART或同步SPI或I2C;

　　(6)串行通訊接口(USART1),，功能如異步UART或同步SPI;

　　(7)具有可編程電平檢測(cè)的供電電壓管理器/監(jiān)控器;

　　(8)串行在線編程,，無(wú)需外部編程電壓，可編程的安全熔絲代碼保護(hù);

　　(9)MSP430F169.60KB+256B Flash Memory,，2KBRAM;

　　本整定儀適用于任何過(guò)程而不用管其暫態(tài)類型,。根據(jù)PID參數(shù)整定原理和功能，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,，圖3給出了4～20mA電流輸入的AD調(diào)理電路圖,。

4 PID參數(shù)整定儀的軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 PID參數(shù)整定儀主要程序模塊

　　在工程實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要完成硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)與測(cè)試,，還必須根據(jù)需要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作,，所以在設(shè)計(jì)出符合要求的硬件電路的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試,。本控制器軟件部分主要包括以下程序模塊,。

　　(1)系統(tǒng)的初始程序模塊。用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,，包括設(shè)定初始狀態(tài)值和參數(shù),，確定A/D初始工作參數(shù)，檢測(cè)主電路是否上電和是否允許系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行等等,。

　　(2)鍵盤(pán)掃描程序模塊,。讀取鍵盤(pán)輸入值，包括PID初始設(shè)定值,、系統(tǒng)設(shè)定值及采樣時(shí)間等等,。

　　(3)采樣程序模塊。用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣過(guò)程要進(jìn)行濾波,，減少噪聲干擾對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響,，最后檢測(cè)采集的數(shù)據(jù)是否包含了對(duì)象足夠多的信息，清除不合格的采樣數(shù)據(jù),，保證所采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量,。

　　(4)模型辨識(shí)模塊。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)采用相關(guān)系數(shù)辨識(shí)法辨識(shí)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,，使辨識(shí)的模型與原模型有較好的線性相關(guān)度,。

　　(5)參數(shù)整定模塊。根據(jù)辨識(shí)出的系統(tǒng)模型采用相關(guān)的整定算法計(jì)算出新的PID參數(shù)值,。

　　(6)LCD模塊,。將相關(guān)的數(shù)據(jù)，像設(shè)定值,、整定模式以及PID的參數(shù)值等,，顯示在液晶屏上。

　　整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。

　　上面模塊還要進(jìn)行詳細(xì)劃分,，每個(gè)模塊之間的耦合很少，這樣就可以獨(dú)立編程,、調(diào)試,，提高了軟件開(kāi)發(fā)的模塊性。

　　4.2 PID參數(shù)整定儀的總體工作流程

　　圖5是自整定控制器的工作流程圖,，用戶輸入設(shè)定值,，然后對(duì)過(guò)程的輸入量u和輸出量y進(jìn)行采樣。對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并計(jì)算出最佳的PID參數(shù)整定值,。整定具體過(guò)程如下：

　　(1)通過(guò)控制面板設(shè)定采樣時(shí)間及設(shè)定值以進(jìn)行采樣。

　　(2)將采集的數(shù)據(jù)處理后得到辨識(shí)所需要的10～20個(gè)點(diǎn),。

　　(3)運(yùn)用基于頻域的模型辨識(shí)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí),，得到系統(tǒng)的模型。

　　(4)根據(jù)模型采用相應(yīng)的辨識(shí)算法計(jì)算PID參數(shù)值,。

　　(5)在LCD上顯示新的PID參數(shù),。

5 小結(jié)

　　介紹了本參數(shù)整定儀的各功能模塊，并且進(jìn)行了硬件及軟件設(shè)計(jì),。此整定儀集單變量和雙變量整定功能于一身，適合于任何使用PID控制器的場(chǎng)合,，不過(guò)只有在過(guò)程獲得平衡狀態(tài)時(shí)辨識(shí)方法才可使用,。此整定儀整定出的PID參數(shù)在LCD上顯示。工作人員只需將整定出的新參數(shù)在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置。此過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用,，方便工作人員操作,，并且由于設(shè)計(jì)小巧，便于工作人員隨身攜帶,。