積分分離式pid算法實(shí)例

1、正 文一、 方案選擇總體方案選擇：電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。總體方案一 ：采用8031作為控制核心,以使用最為普遍的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對(duì)電阻絲加電使其升溫和開(kāi)動(dòng)風(fēng)扇使其降溫。此方案簡(jiǎn)易可行,器件的價(jià)格便宜,但8031內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器,需要擴(kuò)展,增加了電路的復(fù)雜性,且ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求?？傮w方案二 ：采用比較流行的AT89S51作為電路的控制核心,使用12位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實(shí)行對(duì)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路

2、簡(jiǎn)單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。綜上分析,我們采用方案二。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下:圖1 控制器設(shè)計(jì)總體框圖根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了以STC89C51單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的電熱鍋爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法,顯示采用3位LED靜態(tài)顯示。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制算法新穎,控制精度高,有較強(qiáng)的通用性。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有以下功能：· 溫度控制設(shè)定波動(dòng)范圍小于±1%,測(cè)量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超調(diào)整量小于±4%;· 實(shí)現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫;· 實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫

3、度值;· 按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、運(yùn)行鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵; · 越限報(bào)警。方案一1、帶死區(qū)的PID算法某些生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制精度要求不是很高但希望系統(tǒng)工作穩(wěn)定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不要頻繁動(dòng)作。針對(duì)這一類系統(tǒng)，帶死區(qū)的PID算法應(yīng)運(yùn)而生。所謂帶死區(qū)的PID，實(shí)在計(jì)算機(jī)中認(rèn)為的設(shè)置一個(gè)不靈敏區(qū)域，當(dāng)偏差的絕對(duì)值|e（k）|<時(shí)，不產(chǎn)生新的控制增量，控制量維持不變；當(dāng)偏差的絕對(duì)值|e（k）|>時(shí)，則進(jìn)行正常的PID運(yùn)算后輸出。帶死區(qū)的PID控制算法為： 0 (|e(k)|< ) u(k)= Kpe(k)-e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(

4、k-2) (|e(k)|> )-是一個(gè)人為設(shè)置的死區(qū)，是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，其值根據(jù)具體對(duì)象由實(shí)驗(yàn)確定或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，這種控制方式適用于控制精度不太高，控制動(dòng)作盡可能少的場(chǎng)合。其控制特性在VC+中測(cè)得一組控制特性曲線如下圖：圖2帶死區(qū)的PID控制特性曲線返 回u(k) u(k-1)e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1)輸出u(k)u(k)=u(k-1)+u(k)u(k)=Kpe(k)-e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)|e(k)|> e(k)= r(k)- c(k)采樣r(k)、c(k)初始化2、算法程序流程圖3、軟件設(shè)計(jì) 在主程序中首先

5、由vc測(cè)出PID算法的參數(shù)值,然后通過(guò)循環(huán)顯示當(dāng)前溫度,并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級(jí),以便能實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定定時(shí)器T0為5秒定時(shí),在無(wú)鍵盤響應(yīng)時(shí)每隔5秒響應(yīng)一次,以用來(lái)采集經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào);設(shè)定定時(shí)器T1為嵌套在T0之中的定時(shí)中斷,初值由PID算法子程序提供。在主程序中必須分配好每一部分子程序的起始地址, 主程序流程圖如下：圖4 主程序流程圖 圖5 鍵盤及中斷程序圖4、硬件設(shè)計(jì)硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來(lái)分有：主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。1 主機(jī)電路的設(shè)計(jì)主機(jī)選用ATMEL公司的51系列單片機(jī)AT89S51來(lái)實(shí)現(xiàn),利

6、用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的AT89S51芯片時(shí)鐘可達(dá)12MHz,運(yùn)算速度快,控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM,而且內(nèi)部含有4KB的flash ROM 不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、實(shí)用。2 I0通道的硬件電路的設(shè)計(jì)就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō),需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入單片機(jī)中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過(guò)PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。.1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590, 0P07,74LS373,AD574A等組成

7、。由于控制精度要求為0.1 度,而考慮到測(cè)量干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和AD 轉(zhuǎn)化器的精度應(yīng)更高才能保證控制精度的實(shí)現(xiàn),這個(gè)精度可處粗略定為0.1 度。故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1 度;而對(duì)于AD 轉(zhuǎn)換器,由于測(cè)量范圍為40-90 度,以0.1 度作為響應(yīng)的AD 區(qū)分度要求,則AD 需要區(qū)分(90-40)/0.1=500 個(gè)數(shù)字量,顯然需要10 位以上的AD 轉(zhuǎn)換器。為此,選用高精度的12位AD574A。為了達(dá)到測(cè)量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于01,其良好的非線形可以保證優(yōu)于01 的測(cè)量精度,利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn),通過(guò)非線形補(bǔ)償,

8、可以達(dá)到0.1測(cè)量精度.)超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號(hào)進(jìn)行放大,便于AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。模擬電路硬件部分見(jiàn)圖6。圖6 溫度電壓轉(zhuǎn)換電路2 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)由輸出來(lái)控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：可控硅可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元件TLP521 在控制部分進(jìn)行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)弱強(qiáng)電的電源隔離。單片機(jī)PWM 輸出電平為0 時(shí),光耦元件導(dǎo)通,從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通,通過(guò)整流橋的電壓經(jīng)過(guò)集電極電阻以

9、及射集反向偏壓,有7V 左右的電壓加在雙向可控硅控制端,從而使可控硅導(dǎo)通,交流通路形成,電阻爐工作;反之單片機(jī)輸出電平為0 時(shí),光耦元件不能導(dǎo)通,三極管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端電壓幾乎為零,可控硅截止從而截?cái)嘟涣魍?電爐停止工作。此外,還有越限報(bào)警,當(dāng)溫度低于下限時(shí)發(fā)光二極管亮;高上限時(shí)蜂鳴器叫?？刂茍?zhí)行部分的硬件電路如下圖。圖7 控制執(zhí)行部分電路 鍵盤及顯示的設(shè)計(jì)鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì),低電平有效。圖3 中按鍵AN1,AN2,AN3,AN4, AN5的功能定義如表1所示。表1 按鍵功能顯示采用3位共陽(yáng)LED靜態(tài)顯示方式,顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個(gè)位及小數(shù)點(diǎn)

10、后一位,這樣可以只用P3.0(RXD)口來(lái)輸出顯示數(shù)據(jù),從而節(jié)省了單片機(jī)端口資源,在P1.4 口和P3.1(TXD)的控制下通過(guò)74LS164來(lái)實(shí)現(xiàn)3位靜態(tài)顯示。數(shù)字電路硬件部分圖8數(shù)字電路硬件方案二1積分分離式PID算法PID控制器中引入積分的目的主要是為了消除靜差，提高精度，但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束、大幅度增減設(shè)定值或出現(xiàn)較大擾動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出會(huì)出現(xiàn)很大的偏差，致使積分部分幅值快速上升。由于系統(tǒng)存在慣性和滯后，這就勢(shì)必引起系統(tǒng)輸出部分出現(xiàn)較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，特別對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，有可能引起系統(tǒng)震蕩。為防止這種現(xiàn)象，采用積分分離式PID控制算法。其基

11、本思想是：大偏差時(shí)，去掉積分作用，以免積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差;小偏差時(shí)，投入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。既保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能又能使系統(tǒng)無(wú)靜差。具體算法如下：u(k)=Kpe(k)-ek-1+aKie(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-21 (|e(k)|<=)a=0 (|e(k)|>)a為邏輯變量；積分分離限，有具體對(duì)象確定。過(guò)大達(dá)不到積分分離目的；過(guò)小，一但被控量c(t)無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD調(diào)節(jié)，將會(huì)出現(xiàn)靜差。于是需要將上式改寫為：Upd(k)=Kpe(k)-ek-1+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2；Ui(k)=Kie(k)；若|e(k