（电路与系统专业论文）基于dsp+tms320lf2407的温度控制系统的研究.pdf

摘要 本论文主要是研究一种基于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的温度控制系统， 并将其应用于半自动生化分析仪当中。 在生化分析仪的开发研制中，一个重要的组成部分是温度控制系统 的研制。被检测样品和试剂只有在指定的温度下进行检测才能保证生化 检验结果的可靠性。 文中主要对温度控制系统的软件设计进行了详细的阐述。介绍了增 量式p i d 算法的具体程序设计，以及参数的整定方法和测试结果分析。 同时给出了温度控制系统的硬件电路设计( 使用半导体制冷器对吸收池 的温度进行控制) ，使o 1 的控温精度得以实现。 结果表明，本系统能够达到所要求的控温精度，可满足临床要求， 同时对相关课题的研究具有一定的参考价值。 关键词：pj dd s p 增量式 a b s t r a c t 1 1 1 i sp 印e rm a i m yr e s e a r c h e dak i n do ft e m p e r a t u r ec o i l 订o ls y s t e mb a s e d o nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a n dm es y s t e mi su s e dt os e m i 。a u t o m a t i o n b i o c h 锄i s 自呵 i nt 1 1 ed e v e i o p m e n to f b i o c h c m i s 酊a n a 王y s i si n s m l m e n t ，o n e 曲p o n a n t c o n s t i t u e n ti st os t u d yt h et c m p e r a t l l r ec o n t r o ls y s t e m o n l ym et e m p e m 嘶 i sa s s i g n e d ，t h es 髓1 p l ea n dr e a g e n ta r et e s t e d ，m eb i o c h e m i s n _ ) re x 锄i n a t i o n r c s u l ti sr e l i a b i l i t y t h es o f t w a r ed e s i g no fm et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e dd e t a i l i nm i sp 印e lnm t r o d u c e dt h ep r o 铲a mo f m ei n c r e a s i n gt y p ep i da l g o r i t h m ， a n dp a r 啪e t e rm s t a l l a t i o nm e t h o d 姐dt e s t i n gr e s u l ta n a l y s i s a tt 1 l es 锄e t i m e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi si n 们d u c e d s i m i l a r l yt o o ，a n di tr e a l i z e s 士o 1 c o n t r o lp r e c i s i o n t h er c s u l tp r o v e st l l a t ，t i er e q u e s t so f t l l ec o n 订o lp r e c i s i o no f t e m p e m t u r e c a l lb ea c h i e v e ri nt l i ss v s t e m t h i ss v s t e mi ss u i t a b l ef b rt h ec l i n i c a l r e q u e s t ，a 1 1 di th a st 1 1 ec e n a i nr e f e r e n c ev a l u et o t 1 1 ec o r r e l a t i v et o p i c r e s e a r c h k e y w o r d s ： p i dd s p i n c r e a s i n g 钾p e 1 1 引言 第一章绪论 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒 性好、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有9 0 左右的控 制回路具有p i d 结构。而实际工业生产过程往往具有非线性、不确定性， 难以建立精确的数学模型，应用常规的p i d 控制器难以达到理想的控制 效果。 在实际生产过程中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性较差。针对 上述问题，长期以来，人们一直在寻求p i d 控制器参数的自整定技术， 以适应复杂的工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数字智 能式控制器的实际应用，以及近年来的各种先进算法的不断涌现，为控 制复杂系统开辟了新途径。 1 2p i d 控制发展状况 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要 标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和 智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包 括控制器，传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出 经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过 传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感 器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感 器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。如今，p i d 控制及其控 制器或智能p i d 控制器( 仪表) 已经很多，产品已在工程实际中得到了 广泛的应用，有各种各样的p i d 控制器产品，各大公司均开发了具有 p i d 参数自整定功能的智能调节器( i n t e l l i g e n tr e g u l a t o r ) ，其中p i d 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实 现。有利用p i d 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 p i d 控制功能的可编程控制器( p l c ) ，还有可实现p i d 控制的p c 系统等 等。可编程控制器( p l c ) 是利用其闭环控制模块来实现p i d 控制，而可 编程控制器( p l c ) 可以直接与c o n t r o l n e t 相连，如r o c k w e l l 的p l c 一5 等。还有可以实现p i d 控制功能的控制器，如r o c k w e l l 的l o g i x 产品 系列，它可以直接与c o n t r o l n e t 相连，利用网络来实现其远程控制功 能。 一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2 0 0 0 多个控制回路，其中9 7 以上是p i d 控制，而且仅仅有2 0 的控制回路 工作比较满意，控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适的占3 0 ， 阀门问题占2 0 ，而另外2 0 9 6 的控制器性能差有多种原因，如传感器问 题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。e n d e r ”1 给出了相似的 统计结果，在已安装的过程控制器中3 0 是处于手动状态，2 0 的控制 回路采用厂家整定的参数，即控制器制造商预先设定的参数值。3 0 的 控制回路由于阀门和传感嚣的问题导致控制性能较差。 这样看来，p i d 控制器虽然在工业过程控制中普遍应用，但是获得 的控制效果并不十分理想。而且p i d 控制器的许多有用的特性由于被认 为是商业秘密而没有广泛传播，例如模式切换、防止积分饱和及参数自 整定技术等。 总而言之，p i d 控制器历史悠久，生命力旺盛，并以其独特的优点 在工业控制中，发挥巨大作用。 1 3p i d 控制器研究面临的主要问题 p i d 控制器的结构简单，容易被理解和实现，应用中不需要精确的 系统模型的预先知识，因而p i d 控制器成为应用最广泛的控制器。但是 人们对p i d 控制器的认识和改进远没有完成，到目前为止p i d 控制的机 理、使用范围、鲁棒性等问题还没有彻底全面的分析研究。事实上p i d 控制器并非万能的，它存在其同有的缺点： 首先，p i d 对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好 的控制，而很多工业过程是非线性或时变的。 其次，p i d 参数必须依据过程的动态特性整定的很好。如果过程的 动态特性变化，例如：可能由负载的变化引起系统动态特性变化，p i d 参数就要重新整定。实际应用中，p i d 参数的整定很困难。 第三，p i d 在控制非线性、时变、强耦合及结构不确定的复杂过程 时总显得无能为力。 p i d 参数自整定技术是为了处理p i d 参数整定这个问题而产生的， 现在自动整定的p i d 控制器己是商业单回路控制器和分布控制系统的 一个标准。p i d 参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实现或不很 理想，在精度与速度的折衷及对象的使用范围上常常难以令人满意。因 此，在p i d 参数的整定及自整定技术方面还有待于进一步深入研究。 1 4 本文的研究内容和目的 本论文中主要阐述了生化分析仪的温度控制系统的软件设计方法 及程序流程图，并对测试结果进行了说明；同时介绍了硬件电路设计。 生化分析仪开发研制中的个重要组成部分是温度控制系统的研 制。被检测样品和试剂只有在指定的温度下检测才能保证生化检验结果 的可靠性，所以它对温度的要求是：精度要高，稳定性要好。经过一年 多的紧张设计调试已经可以完成特定容器内试剂温度的精确控制。达到 了预期的控制精度( o 1 ) 满足系统的需要。 本章小结： 本章主要介绍了p i d 控制的发展现状以及面临的主要问题和需要 不断完善的方面。 通过对大量的文献阅读了解到了国内外许多的先进控制方法和控 制策略。对p i d 控制有一个初步的了解和认识，明确了其发展方向。 第二章系统硬件设计 2 1 温度信号检测电路设计 温度传感器测量被测介质的温度的方式有两类：接触式和非接触 式。测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触式温度传感器。如 热电偶、热电阻、p n 结等。传感器与被测物体不接触，而是利用被测 物体的热辐射或热对流来测量的称为未接触式温度传感器，如红外测温 传感器等，它们通常用于高温测量。 本课题选用的是接触式温度传感器铂电阻p t l 0 0 ，它稳定性好、精 度高、电阻率较高、温度系数大。 由于热电阻随温度变化而引起的变化值较小，因此，在传感器与测 量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差。故在本设计中采用图 2 1 所示的接线方式。 图2l 铂电阻接线倒 这里，置，r 为标准电阻，r 为铂电阻，l m 3 1 7 和月、构成恒流源 电路，电流电压满足下列关系式： _ = 竭 = ，i 兄十尺：j = 一k 考虑到整个系统的电源对信号检测处理会产生干扰，在设计时将系 统的电源电路板与信号检测处理电路板分开，在图2 1 中为铂电阻供电 的l m 3 1 7 就是在电源板上，而铂电阻见与标准电阻r 则是在信号处理 电路板上。为了能使系统得到精确的温度检测和控制，在设计中充分考 h f 日 让一 虑了机壳内的热平衡问题，设计中在机壳内安置了一个小风机，并采用 了温度传感器蜥3 5 对机壳内环境温度进行实时监测，通过启停小风机 来加快机器内的散热，提高控制目标的反应速度。在这样的条件下，通 过对l m 3 1 7 输出电压受温度影响的参数分析可知，在测量过程中l m 3 1 7 的输出电压受温度的影响不会影响系统的测量精度，这样，就为实现系 统精确的温度采集与控制奠定了基础。 2 2 温度信号处理电路设计 处理器要对比色器进行温度控制，所以要对图2 1 检测到的信号进 行处理，在这部分采用运算放大器o p 0 7 、压控振荡器v f c 3 2 以及高速 光电耦合器6 n 1 3 7 构成信号处理电路，电路如图2 2 所示，通过计算分 析本电路可以达到系统对温度控制精度的要求。电路输出信号送给d s p 由d s p 进行相关运算、处理得到对应的测量温度。 图2 2 温度信号处理电路图 2 3 数据存储电路设计 在系统调试时，要分别对不同标称溶液的温度进行准确的测量和标 定，需要把每个对应的不同标称溶液模型参数进行存储，故在系统中设 计了串行e e p r o m 读写电路。本部分的设计采用a t m e l 公司的a t 2 4 c 1 6 0 ” 进行存储，d s p 芯片把模型参数值写到e e p r o m 里面，这样，当用不同标 称溶液测试时，把e e p r o m 里的相应的数据读出来赋给系统的测试模型， 达到对各种样品的正确测试。a t 2 4 c 1 6 是2 线制( i2 c ) 串行e e p r o m ，6 k b i t 的存储容量，a t 2 4 c 1 6 的s d a 、s c l 脚连接t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的相应引脚 构成读写电路，另外，a t 2 4 c 1 6 具有硬件写保护功能，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与 串行e e p r o m 的连接图如图2 3 所示 图2 3 处理器与a t 2 4 c 1 6 接线图 其中，咫，兄为匹配电阻，置，垦为上拉电阻。在进行读写操作 之前，必须先设置开始状态，即令s c l 总线保持高电平，并在s d a 总 线上产生一个高电平到低电平的跳变。在通信结束时，须设结束状态， 既令s c l 总线保持高电平，在s d a 总线上产生一个低电平到高电平的 跳变。s d a 总线上的数据的改变必须在s c l 总线处于低电平状态下进 行，否则s d a 总线上的数据处于保持状态。 2 4 串口电路设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 串行通信接口电路采用了符合r s 一2 3 2 标准的驱动芯 片m a x 2 3 2 进行串口通信。m a x 2 3 2 芯片功耗低、集成度高、十5 v 供电， 具有两个接收和发送通道。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用+ 3 3 v 供电，所以 m a x 2 3 2 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 之间加了电平匹配电路，整个接口电路简单、 可靠性高。 本系统串行通信接口电路如图2 4 所示： 6 图2 4 串行通信接口电路图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 串行通信接口电路采用了符合r s 一2 3 2 标准的驱动芯 片m a x 2 3 2 进行串口通信。 i a x 2 3 2 芯片功耗低、集成度高、+ 5 v 供电， 具有两个接收和发送通道。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用+ 3 3 v 供电，所以 h i a x 2 3 2 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 之间加了电平匹配电路，整个接口电路简单、 可靠性高。 2 5 可编程d s p 芯片 可编程d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的， 适合于数字信号处理运算的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据 分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供 特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环即跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的终端处理和硬件i o 支持： ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使得取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 本章小结： 本章主要介绍了温度控制系统的硬件电路设计。针对系统的主要技 术要求选用了适合的工作芯片。 在硬件电路的电路板绘制和器件选用搭设及实际焊接中应有几点 注意如： 在绘制电路板时务必要考虑到电源线的线粗一定要满足系统 的供电需要，各种接地方式的差别和影响。 器件的摆放位置对信号影响以及设计的美观性。 各种器件所能达到的技术指标在理论和实际中的差距等等。 第三章系统软件设计 系统选用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为下位机处理器，它主要的功能是 完成对测试数据的采集以及各种控制功能，并在系统机的控制下将相应 的数据通过串行口送给系统机。 系统采用p c 机作为上位机，上位机不但要完成与d s p 的串行通信， 而且还要对接收的数据进行相应处理。由v i s u a lb a s i c6 0 ”1 “1 做出 良好的人机交互界面，提供各种测量模式下的工作曲线及多层次实时动 静态测量曲线，并且通过串口可实现对下位机系统参数进行灵活设置等 任务。 3 1 温度控制软件设计 在本系统中，对被测试试剂温度的控制精度将直接影响测试的结 果。所以，温度控制算法的有效性显得尤为关键。为了实现对本系统中 的比色器达到高精度温度控制的目的，进行了大量的分析和资料调查， 借鉴国外同类产品的开发经验，同时考虑到发挥计算机控制的优势。在 本系统温度控制中，采用了增量式p i d 算法“”。“3 ，对处理器p w m 输出占 空比进行控制，经光耦隔离去驱动m o s f e t ，从而达到控制热电模块加热 或调解制冷功率的目的。实际中采用了过渡带的方法，当前温度在设定 温度的过渡带范围外时，采用全加热的模式，当前温度在设定温度的过 渡带范围内时，采用增量式p i d 控制的方法进行温度控制。 温度控制系统采用p t l o o 作为敏感元件。l m 3 1 7 等元件构成对p t l 0 0 及标准电阻施加激励电流，通过分别测量p t l o o 及标准电阻两端总的电 压和标准电阻两端的电压，得到p t l o o 两端的电压，经a d 转换处理后 得到对应的比色器的温度。处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在计数器周期中断的 控制下以一定的频率读取p t l o o 两端的电压，计算出对应的温度数据， 处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在接收到串口的控温指令和温度数据后，把采集 到的实时温度与控温要求的温度相比较，并进行p i d 计算得出控制量， 用该控制量去控制p 釉输出，p 删的输出决定对热电模块加热或制冷的 功率以及加热和制冷的优势方。p i d 参数也可以通过串行口由上位机进 行实时修改。 热电制冷是利用热电效应( 即帕尔贴效应) 的一种制冷方法。实用的 热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热 电偶构成的。半导体热电偶由n 型半导体和p 型半导体组成。n 型材料 有多余的电子，有负温差电势；p 型材料电子不足，有正温差电势。当 电子从p 型穿过结点至n 型时，其能量必然增加，而且增加的能量相当 于结点所消耗的能量，这一点可用温差降低来证明。相反，当电子从n 型流至p 型材料时，结点的温度就会升高。直接接触的加热和制冷电路 在实际的应用中不可用，所以用图3 1 的连接方法来代替。实验证明， 在温差电路中引入第三种材料( 铜连接片和导线) 不会改变电路的特性。 这样，半导体元件可以各种不同的连接方法满足使用者的要求。把一只 p 型半导体和一只n 型半导体联结成电偶对，接上直流电源后，在接头 处就会产生温差和热量的转移，在上面的接头处，电流方向是n 至p ， 温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个接头处，电流方向是 p 至n ，温度上升并且放热，因此是热端。 h 型秕p 型 直流电源 图3 ，1 制冷器结构图 糠陶瓷片 属导体 在本系统中，把被测样品与制冷器热端接触，通过对加热时间和激 励电流大小的调整，实现对比色器温度进行控制的目的，以实验为依据， 在理论上遵循热平衡原理。 3 1 p l d 控制算法设计 在温度控制系统中，为提高精度，系统采用p i d 算法进行温度控制。 一p i d 控制基础 在实际工程中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控 制( 简称p i d 控制) 是连续系统控制理论中最成熟，应用最广泛的种 控制技术。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立， 参数调整方便等优点。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不 到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制的结 构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为 方便。即当不完全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，最适合用p i d 控制技术。实际中也有p i 和p d 控 制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控 制量进行控制的。经典p i d 控制理论中，基本数学模型有两种( 连续型、 增量型) ；p i d 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它 的参数整定方式简便，结构改变灵活( p i 、p d 、) ；但p i d 参数必须 选择合适。通过适当给定p i d 参数，p i d 控制可以得到各种输出响应特 性，也就是说，通过适当给定p i d 参数，大多数的控制任务都可以由 p i d 完成，原理框图如图3 2 所示。 图3 2p i d 控制原理框图 可见，p i d 控制包含比例调节、积分调节、微分调节。下面分别对 它们作以简要说明。 1 比例( p ) 控制 “( r ) = i p p ( ，) 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信 号成比例关系。只要出现偏差8 ( r ) 就能及时地产生与之成比例的调解作 用。比例调节的特性曲线，如图3 3 所示： e ( t ) u ( t ) 图3 3 比例调节器的阶跃响应斟 比例调节作用的大小，除了与偏差p ( ，) 有关外，主要取决于比例系 数，吒越大，调节作用越强，动态特性也越好，反之，女，越小，调 节作用越弱。但对于大多数惯性环节，女。太大，会引起自激振荡。其输 入输出关系曲线如图3 4 所示。 u ( d oi k p 。1 “p 。：! 彳。 o e ( t 厂 图3 4 比例调节器输入输出关系曲线图 比例调节的缺点是存在静差，影响调节精度。当仅有比例控制时系 统输出存在稳态误差( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。 2 积分( i ) 控制 州f ) _ 等m 斫 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统( s y s t e mw i t hs t e a d y s t a t e e r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项 对误差的积分取决于时间，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即 便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出 增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例t 积分( p i ) 控制 器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分调节的曲线图如图3 5 所示： 0 图3 5 积分调节器的阶跃响麻剿 3 微分( d ) 控制 啪) = k 乃警 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变 化率) 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现 振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后 ( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时， 抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项 往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的 是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制 器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免 了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微 分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 微分作用的特点是，输出只能反应偏差输入变化的速度，而对于一 个固定不变的偏差，不管其数值多大，也不会有微分作用输出。因此， 微分作用不能消除静差，而只能在偏差刚出现的时刻产生一个很大的调 节作用。加微分作用曲线图如图3 6 所示： e ( t ) 图3 6 微分调节器的阶跃响应图 连续系统p i d 调节器为，对误差的比例、积分和微分的控制，它可 以很好的改善调节品质，即 或 式中， 郴。一+ 批眦警 ， u ( s ) - k p 吣) + k 掣+ 畅咧s ) “o ) 一调节器的输出信号； p ( r ) 一调解器的偏差信号，等于给定值与测量值之差； k 一调节器的比例系数； 幺一调节器的积分系数： 屯一调节器的微分系数； f 一调节器的积分时间常数： 乃一调节器的微分时间常数。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来 计算控制量。因此，在计算机控制系统中必须首先对式( 3 1 ) 离散化 处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，于是称之为数 字pl d 控制，离散化时， 令 f = 七r “( r ) “( 七丁) p ( r ) “e ( 打) 璺盟。堂! ! 二坐! 二1 2 出r 击订扣功 ( 3 2 ) 式中，r 是采样周期。由式( 3 1 ) 与式( 3 2 ) 可得 f下下1 u ( 七r ) = 耳似r ) + 争p ( _ ，r ) + 等r ) 一p ( 打一r ) ” ( 3 3 ) l1 ，。u 1 j 式( 3 3 ) 称为位置式p i d 控制算法。 由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用。因此， 人们又提出一种新的控制算法，即p i d 增量式控制算法： “( 七，) = k ，f p ( 七r ) 一p ( 七7 1 一r ) 】+ k e ( 膏7 1 ) + k d 【p ( 足7 1 ) 一2 p ( 七7 1 7 1 ) + p ( 七丁一2 ，) ( 3 4 ) 下面给出增量式p 1 d 控制算法序流程图及增量式p i d 算法内存分配表如 图( 3 7 ) 及表3 1 所示： 表3 1 增量式p i d 算法内存分配表 符号地址参数注释 s a m p y ( k t )第k 次采样值 s p r r 给定值 c o f k p k p比例系数 c o f k lk i 积分系数 c o m k d k d 微分系数 e ke ( k t ) 第k 次测量偏差 e k le ( k t t ) 第k 1 次测量偏差 e k 2 e ( k t 一2 t ) 第k 一2 次测量偏差 u p k u p ( k t )比例项 u t k u i ( k t )积分项 u d k u d ( k t )微分项 d u k u ( k t )第k 次增量输出 开始 输入“k 了) 的采样值，r 给定值 0 计算e ( j 圃一r - ) ，( k 1 ) i 计算u p ( k d = k p 【e ( k d e ( 1 ) l j 讣算( k 1 ) 一k i e ( k 1 ) j i 计算吣( k 1 ) = k d 【c ( | ( 1 ) 一2 e ( 1 ( - d + e ( k 1 2 1 ) 】 计算u ( k 1 ) 芏u p ( k t ) + u i ( k t ) + u d ( k t ) ， 返回 图3 7 增量式p i d 控制算法序流程图 本程序控制在p 州7 引脚上输出占空比可变的方波信号，占空比由 d s p 经p i d 运算控制。p w 1 7 的输出方式设置为低有效( 因为当p _ l v m 低电 平时，光耦不工作，m o s f e t 的输入为高电平，输出有效) ，采用e v b 模 块中的通用定时器3 产生比较值。 二p i d 控制器的二阶工程设计法 由于本课题中的温度控制系统对温度控制的精度要求较高，而且大 部分温度控制为多窑对象，所以需要二阶系统来进行控制。下面阐述 p i d 控制器的二阶工程设计法h 删。 二阶系统闭环传递函数的一般形式是： 揶) = 南 将s 换成- ，缈，得 幻珊) = 甬面扔2 而赢 它的模为 爿( 国) 2j 妒( 国) | 2 了i ：i 南 ( 3 5 ) ( 3 ，6 ) ( 3 7 ) 根据控制理论可知，要使二阶系统的输出获得理想的动态品质，即 使系统的输出量能完全跟随给定量的变化，应满足以下条件： 幅频特性：爿( ) = 1 ( 3 8 ) 相频特性：妒 ) = 0 由( 3 6 ) 式可得 删咖高 ( 3 9 ) 按相频特性的要求，应有一彩7 i _ o ，由于一o ，所以应有功一o 。 按幅频特性要求可得： ( 1 一五埘2 ) 2 + ( 五出) 2 = 1 1 2 瓦m 2 + 正2 国4 + z 2 2 = l 即应有耳2 = 2 正或墨= 酉 ( 3 1 0 ) 把( 3 1 0 ) 代入式( 3 5 ) ，可得到理想情况下二阶系统闭环传递函数的 形式： 帅) 2 司杀可 3 设g ( j ) 为该系统的开环传递函数，对于单位反馈系统，有 ：卫盟 一7 l + g ( s ) 即q 加篇坷釉2 瓦素面 1 2 ) 这即为二阶品质最佳的基本公式。 在按二阶工程设计法设计p i d 时，当被控对象为由三个惯性环节组 成时，则一般选用p i d 调解器进行校正：当被控对象由两个惯性环节组 成时，则一般选用p i 调解器，进行校正。下面以前一种情况为例( 本 系统将用p i d 调解器) ，说明设计方法。 设被控对象的传递函数为： 删= 畚畚畚 采用p i d 调解器进行校正，校正环节传递函数的形式为： ：竖! 1 2 1 垒些! ! ( 3 1 4 ) 酗 设b 。 暑： 强，为了化成二阶形式，令 f 1 = 瓦l ，f 2 = 正2 则经校正后的系统开环传递函数 噼叽删= 掣掣丽 ：坠! 竖z 竖2 l s ( 瓦3 s + 1 ) 把式( 3 1 2 ) 与式( 3 1 5 ) 比较，可得 压= 赢专属吨 即 l = 2 糍。：妊，马， 把式( 3 1 6 ) 代入式( 3 1 4 ) ，可得二阶工程设计法p i d 调解器的基本 形式 帅，= 鼍器字“羽+ 毒哪， c 。 式( 3 1 7 ) 中， k ： 圣j 墨! 2 丘s i 憨2 k s 3 五3 丁：盟 。 疋l + 瓦2 l = 疋+ 瓦2 可见，在设计数字p i d 控制器时，将( 3 ，1 7 ) 进行离散化，即可得到二 阶工程法p i d 数字控制器的控制算法。 三p i d 参数的选择 对于模拟p i d 来说，参数整定就是根据加工工艺对控制性能的要 求，对系统的比例系数吒、积分时间l 和微分时间乃的选择和确定。而 对数字p i d 来说，除了选定k ，z 和乃之外，还需要选定采样周期t 。 理论分析和实践都表明，p i d 的k ，z 和乃参数与系统的动态和稳 态特性密切相关，且都起着重要作用。负反馈控制系统如图3 8 所示。 图38 负反馈控制系统框图 下面分别简单阐述各参数在实验中对控制系统的影响： ( 具体影响将在第四章结合实验曲线进行分析) 1 比例系数。对控制系统的影响 对动态特性的影响j 七。太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数加 大，可提高系统的动作灵敏度，加快调节速度。但是，。偏大，容易引 起系统振荡，反而使调节时间加长；且太大时，系统会趋予不稳定状 态， 。可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特 性决定的。如果p 的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值 越来越远，如果出现这样的情况女。的符号就一定要取反。 对静态特性的影响，在系统稳定的情况下，随着比例控制。的加入， 可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。 2 积分时间r 对控制系统的影响 积分控制常与比例控制和微分控制联合使用，组成p i 控制或p l d 控制系统。 积分时间z 对系统性能的影响和作用如下： 对动态特性的影响，积分控制常使系统的稳定性下降。若z 值太小， 则系统不稳定；若z 值偏小，则容易诱发系统振荡；若z 值太大，则对 系统的影响将削弱。选择合适的z 值，可使系统的过渡过程趋于比较理 想的状态。 对稳态特性的影响，积分控制可以消除系统静态误差，提高系统控 制精度。若太大，则因积分控制作用的削弱，反而不能减少稳态误 差。 3 微分时间对控制系统的影响 微分控制亦常与比例或积分控制联合使用，组成p d 控制或p i d 控制系统。微分时间乃对系统性能的主要作用是减少超调量、缩短调节 时间、允许加强比例控制，从而减小稳态误差，提高控制精度和改善动 态特性等。 但是，若瓦值偏大或偏小，反而会诱发超调量增加和加长调节时间。 只有当乃值取得合适值时，才可以获得比较满意的过渡过程。 4 采样周期t 对控制系统的影响 在数字p i d 控制中，采样周期t 是一个重要的参量。 由采样定理可知，当采样频率厂的上限值为 工2 厶。 2 0 时，系统可真实地恢复到原来的连续信号。 式中。，为原连续信号的最高频率。可见，从信号的保真度来考虑，要 求采用周期t 不宜太大，即采样角频率w = 2 7 洱不能太低。而从控制 性能的角度来考虑，则希望采样角频率胁尽可能的高，即采样周期t 尽可能的小。但是，阡。越高，则越要要求系统采用高速的处理器。另 外，胍值高到一定程度后，对系统性能的改善并不显著。所以，t 值 的选定原则应该是，在确保离散信号的保真度的前提下，尽可能地选定 较大胁，去满足系统对控制性能的要求。 四p i d 控制器的参数整定方法 p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控 过程的特性确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 在p i d 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定p i d 参数当然是最 理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定p i d 的参数，即概括起来有两大类： ( 1 ) 理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计 算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还 必须通过工程实际进行调整和修改。 ( 2 ) 工程整定方法。它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验 中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。p i d 控制 器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法， 这三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验 公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器 参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行p i d 控制器参数 的整定步骤如下： j 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； 2 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振 荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； 3 在一定的控制度下通过公式计算得到p i d 控制器的参数。 下面以凑试法为例说明参数的调节过程： 在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调 整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。 首先，实现对比例部分的整定。将比例参数由小变大，并观察相应 的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差 或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例 调节器即可。 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加 入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已 经调节好的比例系数略为缩小( 一般缩小为原值的o 8 ) ，然后减小积分 时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过 程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以 期得到满意的控制过程和整定参数。 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满 意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间乃设置为o ，在上述 基础上逐渐增加微分时问，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步 凑试，直至得到满意的调节效果。 采样周期t 的确定，从理论上讲，采样频率越高，控制性能越好。 但在实际中，大多依靠偏差信号e f ) 进行调节计算，当1 、太小时。其 值也会越小，此时处理器将失去调节作用，t 过长又会引起误差。因此， t 必须综合考虑。 影响t 的因素有以下几方面： 对象的动态特性。它主要与被控对象的纯滞后口及时间常数r 有关。 当纯滞后比较显著时，t 与纯滞后时间f 基本相同。 对象要求的控制质量。一般说来，控制精度要求越高，采样周期越 短，以减少系统的纯滞后。 采样周期t 的选择方法有两种，一种是计算法，一种是经验法。计算 法用的比较少。工程上应用最多的是经验法。即先粗选一个采样周期t ， 送入处理器控制系统进行试验，再根据对被控对象的实际控制效果，反 复修改t ，直到满意为止。对于温度来说，采样周期的经验数据为 1 5 2 0 s ，取纯滞后时间常数，但对于不同的温度系统要进行适当调整。 五p i d 参数选取在本温度控制系统调试过程中应注意瞄下几点 1 加温很迅速就达到目标值，但是温度很大。 比例系数太大，致使在末达到设定温度前加温比例过高； 微分系数过小，致使对对象反映不灵敏。 2 加温经常达不到目标值，小于目标值的时间较多。 比例系数过小，加温比例不够； 积分系数过小，对恒定偏差补偿不足。 3 基本上能够在控制目标上，但上下偏差偏大，经常波动。 微分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不利； 积分系数过大，使微分反应被淹没钝化； 设定的基本定时周期过短，加热没有来得及传到测温点。 4 受工作环境影响较大，在稍有变化时就会引起温度的波动。 微分系数过小，对即时变化反应不够快，反映措施不利； 设定的采样周期过长，不能得到及时修正。 3 1 2 温度控制程序设计 本系统对比色器温度的控制是由p 删信号驱动光耦后控制m 0 s f e t 实 现的，m o s f e t 的输出电流决定半导体制冷器的加热或制冷功率。同时， 由温度采集电路得到比色器的当前温度，d s p 将温度差信号( 温度差指 系统测试时对比色器要求的温度值与比色器当前温度值之差) 经过p i d 运算后，对p 删信号的占空比不断调整，直至将比色器的温度控制在系 统测量时要求的范围内。 一处理器内p w m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 处理器的片内含有两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个 包括：两个1 6 位通用定时器：8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能实 现p 1 】m 的对称和非对称波形。 一个p 1 v m 信号是一串宽度变化的脉冲序列，这些脉冲平均分布在一 段定长的周期中，从而每个周期中有一个脉冲。该定长周期被称为p w m 周期，它的倒数被称为p w m 频率。p w m 脉冲的宽度由另一个具有所需值的 调制信号决定或调制。 事件管理器p 帐输出的产生：在事件管理器模块中，每个比较单元 和通用定时器l ( e v a 模块) 或通用定时器3 ( e v b 模块) ，死区单元及输出 逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极 性的p w m 输出。在每个e v 模块中有6 个这种与比较单元相关的p 删输出引 脚，这6 个特定的p 嘲输出引脚可用于控制。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器中的脉宽调制( p w m ) 信号输出幅值为3 3 v 的可变占空比方波。它可以分解为一个直流分量加上一个新的相同占空 比、零均值幅度的方波( 如图3 9 ) ，直流分量的幅度与p w m 占空比成 正比。 a a tt 原始p 删信号 直流分量 图3 9p 删信号分解图( 占空比5 0 ) a 厂 厂| 一 零均方波 二 p w m 信号的频率分析。”。“1 傅里叶理论指出，任何周期波形可以分解成频率为基波频率整数倍 的谐波的无穷级数。为不失一般性，首先，通过简单地平移时间轴，可 将p w m 信号转化为偶函数，则p 删信号的傅里叶级数可以得到简化( 如图 3 1 0 所示) 。 厂 厂_ 图3 1 0p w m 信号平移为偶函数图 图3 1 0 中，p 表示p w m 信号的占空比( o p 1 ) ，t 表示载波周期。 因为d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可以产生对称和不对称的p w m 波形，但d s p 的对称 和这里的偶对称不矛盾，因为偶对称是一个函数的数学性质，所以上图 中的信号可以为以上两种p 删波之一。 根据傅里叶级数理论，对任意一个偶周期函数厂( f ) ，它的傅里叶 级数可表示为 ，( r ) ：a + 妻4 tc 。s ( 兰竽) + 只s m ( 垄笋) 其中 4 = 寺f ，巾) 4 = 专l c o s ( 争础 ( 3 1 8 ) 只= 专胁( 等) 出 若图中g ( f ) 的幅值为3 3 v ，计算式( 3 1 8 ) 的积分可得 一o = 3 3 pb 。= o 4 。= 3 3 圭 s i n 0 ，矽) 一s i n ( 2 n 万( 1 一p 2 ) ) 】 ( 3 1 9 ) 聆石 对式( 3 1 9 ) ，e 对偶函数来说都为o 。直流分量4 等于p w m 信号幅 值乘以占空比。通过选择适当的占空比，经过滤波器后输出的电压可控 制在o 3 3