（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式智能pid控制器的设计.pdf

摘要 摘要 现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大，对产品质量的要求日益提高， 以及现场环境的复杂化，使工业过程控制系统已成为生产过程中必不可少的设备。 工业控制器作为过程控制系统的核心，在现代工业过程控制中起着至关重要的作用。 p i d 控制是迄今为止最为通用的控制方法，是经典控制理论在实际控制系统中的 典型应用。作为最早发展起来的控制策略之一，由于p i d 控制算法简单、鲁棒性好、 可靠性高等特点，被广泛应用于工业过程控制。但是，p i d 控制器的核心内容：参数 整定，还多依赖于人工经验，参数整定的偶然性较大，整定结果往往不能令人满意， 而且常规p i d 控制器是依赖于具体的对象模型的，对于纯滞后、非线性、时变系统 控制效果不好。 近些年发展起来的智能p i d 控制技术，包括基于规则的智能p i d 自学习控制、 加辨识信号的智能自整定p i d 控制、专家式智能自整定p i d 控制、模糊p i d 控制、 基于神经网络的p i d 控制等多种类型。 模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的智能控制，它模仿人类带有模糊性 的控制行为，将操作人员自然语言式的经验总结成控制规则，并基于这些规则，进 行模糊推理等过程，生成控制量。但是模糊控制对输入变量的处理是离散的。且没 有积分环节，控制精度不如p i d 控制，将模糊控制与常规p i d 控制相结合，利用模 糊推理判断的思想。根据不同的e 和e 。对p i d 的参数进行在线自整定，就可以兼顾 两者的优点，这就是基于模糊推理的自整定p i d 控制器。 本文对模糊自整定p i d 控制器设计进行了研究，通过硬件电路设计搭建出一台 模糊p i d 样机，它具有单回路常规p i d 控制、p i d 初始参数自整定、多机网络通讯 等功能。在此平台上开发模糊p i d 控制器具有参数自整定、在线参数自调整功能， 对于纯滞后、时变、非线性系统具有较好的控制作用。p i d 控制器硬件核心选用了 m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机和l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 内核3 2 位单片机，在嵌入式操作 系统支持下完成双路模拟量采样、输入滤波、模糊p i d 运算、双路模拟控制量输出、 液晶显示、按键设置、多总线通讯等功能。软件采用单片机系统常用的c 语言，部 分与硬件结合紧密部分采用了汇编语言进行设计编制，并对p i d 控制及其参数整定 理论进行了研究，设计了p i d 控制、l a bw i n d o w s c v i 的自动测试程序。 关键词p i d 控制器；自整定；模糊控制；单片机 a b s t r a c t 、m t ht h ei n c e s s a n t l ye x p a n d i n go fp r o d u c t i o ns c a l e ，i n c r e a s i n g l yi m p r o v i n go ft h e p r o d u c tq u a l i t y ? a n dm o r ec o m p l i c a t e d f i e l de n v i r o n m e n ti n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r o l s y s t e m sh a v eb e c o m i n g t h en e c e s s a r yp a r ti nm o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s i n d u s t r i a lc o n t r o l l e ra st h ec o r eo ft h em o d e mi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mp l a y sa v i t a lr o l eo fp r o c e s sc o n t r 0 1 b vf a r , p i dc o n t r o lh a db e e nt h em o s tc o n l m o nc o n t r o lm e t h o d ，i tw a s t h ec l a s s i c a l a p p l i c a t i o no fc o n t r o lt h e o r y ，i nt h ea c t u a l c o n t r o ls y s t e m a so n eo ft h ef i r s tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sc o n t r 0 1s t r a t e g i e s ，f o rt h ef e a t u r e so fs i m p l e ，r o b u s ta n dh i 曲r e l i a b i l i t y , p i d c o n t r 0 1a l g o r i t h ma r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 h o w e v e r , t h ec o r eo fp i d c o n t r o i i e r - t u n i n gp a r a m e t e r sa r em o r ed e p e n do na r t i f i c i a le x p e r i e n c e p a r a m e t e rt t m l n g c h a n g el a r g e l y ，t u n i n gr e s u l t s o f t e nd on o ts a t i s f i e d m o r e o v e r ，c o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e ri sd e p e n d e n to nt h es p e c i f i co b j e c tm o d e l ，c o r r e s p o n d i n gt o t h ep u r ed e l a y ， n 。n 1 i n e a r t i m e v a r y i n gs y s t e m s ，t h ep i dc o n t r o lh a sp o o re f f e c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tp i d c o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g t h er u l e b a s e di n t e l l i g e n tp i ds e l f - l e a r n i n gc o n t r o l ，i d e n t i f i c a t i o ns i g n a l o fi n t e l l i g e n t s e l f - t u n i n gp i dc o n 口o l ，e x p e r t si n t e l l i g e n ts e l f - t u n i n gc o n t r o la n df u z z y p i dc o n t r o lb a s e d o nn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r 0 1 f u z z 、，c o n t r 0 1i si n t e l l i g e n tc o n t r o l b a s e do nl a n g u a g er o l e sa n df u z z yi n f e r e n c e ， w h i c hm i m i ch 啪a nc o n t r o lw i t ha 如z z mm a d e t h eo p e r a t o ro fn a t u r a l l a n g u a g es u m m a r y o ft h ee x p e r i e n c eo fc o n t r o lr u l e s ，a n db a s e do nt h e s er u l e su s i n gf o rf u z z yr e a s o m n g o r o c e s so ff o r m a t i o nc o n t r 0 1 b u tf u z z yc o n t r o lo fi n p u tv a r i a b l e si st h ed i s c r e t ea n d n o i n t e g r a lp a r t ，s ot h ec o n t r o la c c u r a c yi sn o ta sg o o da sp i d c o n t r 0 1 c o m b i n gf u z z yc o n 捃o l w i t hc o n v e n t i o n a lp i di n t e g r a t i o nc o n t r o l ，u s i n go ff u z z y i n f e r e n c ej u d g ea n da c c o r d i n gt o d i f k r e n te e ea n dt h ep i dp a r a m e t e r so n - l i n es e l f - t u n i n g ，w ec a n t a k ei n t oa c c o u n tb o t ht h e m e r i t so ft 1 1 i sr e a s o n i n g ，w h i c hi sb a s e do nf u z z ys e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e r t h ep a p e rs t u d i e dt h ed e s i g no ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e ra n daf u z z yp i d p r o t o t y p et h r o u g hs t r u c t u r e dh a r d w a r ec i r c u i t ， i th a sas i n g l ec o n v e n t i o n a lp i dc o r l 仃0 1 l o o p , s e l f 二t l 碰n gp i di n i t i a lp a r a m e t e r s a n d m u l t i n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sc a p a b l l l t l e s o n t h ed 1 灿m ，d e v e l o p m e n to ff u z z yp i dc o n t r o l l e rw i t ht u n i n gp a r a m e t e r s ，t h ep 缸锄e t e r s o fo n ：l i n es e l f - t u n i n gf u n c t i o n sh a sg o o dc o n t r o lo fe f f e c to n t h ep u r ed e l a y ，n m e v a r y m 昏 n o n l i n e a rs v s t e m p i dc o n 仃0 1 1 e rh a r d w a r es y s t e m su s em s p 4 3 0 s e r i e sm c ua i i d t i l p c 2 0 0 0s e r i e so fa r m 7 3 2b i tm i c r o c o n t r o l l e r , w i t h s u p p o r to fe m b e d d e do p e r a t 访g s ) 7 s t e ma c c o m p i i s hd u a la n a l o gs a m p l i n g ，i n p u tf i l t e r , c o n v e n t i o n a lp i d c o m p u t i n g ，d l l a l a n a l o gc o n t r o l o u t p u t ，l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ，k e y p a ds e 劬g s ，t h em o r eb u s c o m m 啪c a t l o n s ：a n do t h e r s f u n c t i o n s d e v e l o p m e n ts c ms o f t w a r es y s t e mi st h ec j a n g u a g e ，a 1 1 ds o m eo p e r a t i o n so fh a r d w a r eu s e da s s e m b l yl a n g u a g ee 渤b l i s h m e n t 。a i l dd o s o m er e 5 e a r c ho np i dc o n t r o la n di t s p a r a m e t e r st u n i n gt h e o r i e s t h ep i dc o n 仃o la n d l a b w i n d o w s c v ia u t o m a t i ct e s tp r o c e d u r e si sp r o g r a m m e d k e 、w o r d sp i dc o n t r o l l e r , s e l f - l e a r n i n gc o n t r 0 1 f u z z y c o n t r o l ，m i c r o - c o n t r o l l e r 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲汐歌一燧名： 学位论文作者签名：蟛移廖对民 指导教师签名： 尹年月踊 沙9 年 ， 多月箩日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 斟不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 一虢日阖久 o 时，此式经移项化简可改为k f k - 4 - 1 竺善坐只有t 1 较大，不等式才 1 能成立，这时特征根s 、岛均为负实根，所以控制系统的过渡过程为非振荡的。 2 ) 当= 0 时，此式可变换成( k 。，k + 1 ) ：掣要使其成立，t j 一定要比第一种 l 情况时的值小，此时特征根s 、& 均为两个相等的实根，控制系统的过渡过程处于临 界状态。 3 ) 当 0 时，此式可变换成( k 。、k + 1 ) 2 4 t _ k c k ，同k - - 4 ，要使这一关系成立，此 i 1 时的丁l 值要比第一种情况时的死小，特征根均为一对共扼复根，控制系统的过渡过 程处于振荡状态，并且，随着丁1 的进一步减小，振荡加剧。 2 1 3 微分控制作用对控制品质的影响 比例作用根据偏差的大小进行自动调节，积分作用可以减小被调参数的余差， 对于一般调节系统来说，使用比例积分调节器已经满足生产过程自动化的要求了。 但对于一些要求比较高的自动化系统常有以下要求：希望根据被调参数变化的趋势， 而采取调节措施，防止被调参数产生更大的偏差。这个要求使用具有微分作用的调 节器可以得到满足。 所谓被调参数的变化趋势，就是偏差变化的速度。调节器微分作用的输出与偏 差变化的速度成正比。可用式2 9 表示： ：譬( 2 - 1 1 ) 式中警偏差变化率；瓦一微分时间常数。 式( 2 9 ) 表明微分时间越长，或偏差变化率越大，则微分作用的输出越大，对于 一个固定不变的偏差，不管这个偏差有多大，微分作用的输出总是零。图2 3 所示为 一比例微分控制系统。 河北科技大学硕士学位论文 图2 - 3 比例微分控制系统 f i g 。2 3 t h eb l o c kf i g u r eo f p r o p o m o na n dd i f f c r c n t i a j c o n t r o l s y s t c m 系统在干扰作用下的闭环传函为： y ( s ) 烈。1 似羽哪) 志 ( 2 1 2 ) 系统的特征方程为： 互疋s2 + ( 互+ 互+ k ，k 。乃必+ ( 1 + k 。k 。) = 0 ( 2 - 1 3 ) 或52 + 2 善d 国( ) s + 缈( ) 2 = 0 抑舰= 丝繁墼, 0 0 2 = 等 因此，系统的衰减系数为： 铲黼 ( 2 1 4 ) 由上式可以得到，毛值的增加将使系统过渡过程的振荡程度降低，也就是递减 比增大，因而在纯比例作用的基础上增加微分作用提高了系统的稳定性，也减小了 最大偏差。此时，为了维持原有的递减比，即与纯比例作用具有相同的递减系数， 须将放大系数k ，适当增加，因此引起的稳定性下降由微分作用使稳定性提供来补 z 出 j z = o 系统在幅值为a 的阶跃干扰作用下，由式( 2 一l o ) 应用终值定理可求得过渡过程 的稳态值为 y ( o o ) 一i m s 兰 8 第2 童p i d 控制理论 ( z j + 1 ) ( t 2 + 1 ) z 正5 2 + ( 互+ 互+ k ，五了0 ) s + ( 1 + k ，k ) 1 + k 。k ( 2 - 1 5 ) 由此可见，微分作用不能消除余差。但如上所述，这时k c 值较纯比例作用时的 k c 为大，所以，余差较比例作用时小。另外，微分作用是按偏差变化率来工作的， 因而对于克服对象容量滞后的影响有明显的作用，但对于纯滞后则无能为力。 综上，控制系统引入微分作用后，将全面提高控制品质。但如果控制器的微分 时间磊几整定得太大，这时即使偏差变化率不是很大，也会因微分作用太强而使控 制器的输出发生很大变化，从而引起控制阀时而全开，时而全关，如同双位控制， 将严重影响控制品质和安全生产。因此，控制器参数整定时，不能把乃取得太大， 而应根据对象特性和控制要求做具体分析。 由上述分析可知：积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，特别是当乃 比较小时，稳定性下降较为严重。因此，控制器在参数整定时，欲得到纯比例作用 时相同的稳定性，当引入积分作用之后，应当把k c 适当减小，以补偿积分作用造成 的稳定性下降。 2 1 4 数字p i d 控制器 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器。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计算控制量，因此式( 2 1 ) 中的积分和微分项不能 直接使用，需要进行离散化处理。 1 、位置式p i d 控制算法 处理后的表达式为： 上 “( 尼) = k ，p ( 七) + k ，g ( ) + k d e ( k ) 一p ( 七一1 ) ( 2 - 1 6 ) f = 0 式( 2 1 3 ) 为位置式p i d 控制算法，式中：u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值；e ( k 1 ) 为第( k 1 ) 次采样时刻输入的偏差值； 衢为积分系数，k 1 = k p t 乃；k d 为微分系数，k d = k p t d t ；t 为采样周期。 另外，为改善p i d 控制的动态特性，人们提出了多种改进的数字p i d 控制算法， 如积分分离p i d 控制算法、遇限削弱积分p i d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、 微分先行p i d 控制算法及带死区的p i d 控制算法等。在此不再详细介绍。 对于不同的被控对象只要适当地整定p i d 的三个参数，就可以获得满意的控制 效果，实际上它是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。 2 1 5p i d 控制器参数整定 p i d 控制器参数整定，是指在控制器的形式已经确定( p i ，p i d 调节规律) 的情况 9 河北科技大学硕士学位论文 下；通过调整控制器参数，达到要求的控制目标。另外，数字式p i d 控制器还要决 定控制系统的采用周期t ，多年来人们致力于研究p i d 控制器参数的整定方法，提 出了各种各样的方法。归纳起来大致有以下几类幅3 ： 1 基于对象参数辨识的整定方法 。 辨识法适用于模型结构已知，模型参数未知的对象，采用系统辨识的方法得到 过程模型参数，并和依据参数估计值进行参数调整的确定性等价控制规律结合起来， 综合出所需的控制器参数；如果被控过程特性发生了变化，可以通过最优化某一性 能指标或期望的闭环特性，周期性地更新控制器参数。在这类方法中，不同的辨识 方法和整定算法的组合将形成不同的整定方案。常用的辨识方法有参数模型辨识方 法和非参数模型辨识方法。 对象参数模型辨识方法( 亦称现代的辨识方法) 是在假定一种模型结构的基础 上，通过极小化模型与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数，比较常用的方 法有最小二乘法、梯度校正法、极大似然法。这类方法对特性分明的被控对象的控 制参数整定是十分有效的，但这种方法比较复杂，要得到精确的数学模型，需要较 复杂的试验手段和数学手段，并且这种方法对被控过程模型有较强的限制，因而对 不能或难以用精确数学模型描述的复杂过程难以奏效，这也是目前阻碍这类方法广 泛应用的主要原因之一。 非参数模型辨识方法( 亦称经典辨识方法) 获得的模型是对象的非参数模型，即 对象的阶跃响应、脉冲响应、频率响应等，其表现形式是以时间或频率为自变量的 实验曲线。这种方法在假定过程是线性的前提下，不必事先确定模型的具体结构， 因而可适用于任意复杂的过程。其所得的非参数模型经适当的数学处理，可转变为 参数模型一传递函数形式，而后应用适当的整定方法或计算公式可得控制器参数。 目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃 响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。当阶跃响应曲线比较规则时， 近似法、半对数法、切线法和两点法都能比较有效地导出近似传递函数。辨识出对 象的数学模型后，就可应用前面介绍过的整定方法进行控制器参数整定。但这并不 意味着就一定能够转变为用户的效益，因为与此方法相关联的一些问题，例如闭环 辨识、时滞估计、测量噪声和干扰输入的抑制以及安全保护措施等，虽然已被了解， 但并未得到有效解决。 2 抽取过程对象输出响应特征值的控制器参数 整定方法基于对象模型辨识的参数整定方法算法较复杂，且从控制器参数整定 的角度看，对象模型中含有的冗余信息量往往很大。由此可见，可以压缩对象模型 的信息量，而抽取其主要特征进行参数整定。目前，基于对象输出响应特征值来进 行p i d 参数整定的方法较多，比较常用的是基于开环对象n y q u i s t 曲线上的一个特征 1 0 第2 章p i d 控制理论 点的知识来进行控制器参数整定，比较著名的有闭环z - n 方法、继电整定法等。 闭环z n 方法( 也称临界比例度法、稳定边界法) 心：，是z i e g l e r 和n i c h i o s 在1 9 4 2 年提出的，方法是将对象与纯比例控制器接成闭环，将比例作用由小到大变化， 直至系统输出出现不衰减的等幅振荡，记录下临界振荡周期p u 和增益g u ，则控制 器参数可通过查表确定。 a s t r o m 等人于t 9 8 4 年提出了继电整定法【6 】。用继电特性的非线性环节代替z n 法中的比例控制器，能使闭环系统自动地稳定在等幅振荡的状态，振荡的幅值也可 通过改变继电特性的特征值控制。其优点是不会出现增幅振荡现象，更不会使系统 毁坏：缺点是对于纯滞后很小的低阶系统，整定得到的参数往往偏大，这是由于开 环b i y q u l s t 曲线与负实轴的交点离原点太近所致。另外，当存在噪声的场合，须用 带滞环的继电环节，而不能使用理想的继电环节。由继电法得到特征参数后，可用 幅值、相位裕度法( g p m ) 整定p i d 参数，也可用其他方法和公式。 3 参数优化方法 控制器的参数整定问题从运筹学的角度看，就是调整控制器的参数，在满足一 定约束条件下，使某个目标函数达到最优( 最大或最小) 。这样就需解决两方面的问 题：提出合适的目标函数，采用适当的寻优策略。用于控制器参数整定、寻优的目标 函数必须与系统调节指标函数密切相关，反映系统的调节品质。 参数优化有两种途径，一是间接寻优，即写出目标函数的解析式，然后根据目 标函数取极值的充分与必要条件，求出参数的最优解。另一种途经是直接寻优，即 直接在参数空间中按照一定的规律进行探索寻优，寻得的目标函数即为最小参数点。 这种方法适用于多变量p i d 控制系统和火电机组协调控制等系统。 4 基于控制器自身控制行为的p i d 参数整定方法 近年来，随着专家系统、模糊控制及人工神经元网络等人工智能技术的发展， 智能控制得到迅速发展，而将智能技术应用于参数整定，就产生了“智能整定”这 一新的p i d 参数整定方法。这种智能整定方法不依赖于对象的数学模型，而是根据 自身的控制行为来调整控制参数。系统的控制行为表现为偏差e 和偏差变化率e 。 p i d 控制是由比例作用、积分作用、微分作用3 部分组合而成的，其中积分作用 是对象过去受控效果的总和，比例作用是过去控制效果的现时表现，而微分作用是 对未来控制作用的需求。因此p i d 控制律是根据对象对控制作用的历史效果、现时 表现及未来需求的综合来确定的，而并不是靠对象的具体数学模型来决定的。如果 我们根据控制行为的反映：偏差e 、偏差变化率仑、偏差和y e 的大小来动态地改变 k p 、t i 、t d ，也就是将p i d 控制律变为比例、积分、微分作用的非线性组合形式， 河北科技大学硕士学位论文 则实现了p i d 控制器整定的智能性，控制器也根据e 、仑、p 自动地校k p 、t i 、 t d ，从而获得良好的控制效果。智能整定多应用模糊理论，还有神经元网络整定法 及各种专家系统整定方法。相关内容见2 2 、2 3 节。 5 其他整定方法 除了上面介绍的几大类外，p i d 参数整定还有很多有特色的方法。目前，工程中 广泛采用以下几种方法：动态特性参数法、稳定边界法、衰减曲线法和模糊控制法， 下面仅就模糊p i d 参数整定做说明，其他方法请读者参阅参考文献。 2 2 模糊p i d 控制 2 2 1 模糊控制原理 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的种基于语言规则与模 糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支，属于非线性控制。常规控制的 基本特点是：对于控制器的设计，都要建立在被控对象的精确数学模型基础上，但是， 在许多情况下，被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很难建立。模糊控制最重要 的特征是反映人们的经验以及人们的常识推理规则，而这些经验与常识推理规则是 通过语言来表达的【6 】。 在工业生产过程设计控制系统时，总会遇到一些不明确的或者说是模糊的问题。 这些模糊问题来自两个方面： 1 ) 建立被控对象模型时具有的模糊性 正确的掌握系统的动态特性，一般是很困难的。因此，传递函数通常难以真实 的描述系统的特性。如模型的近似化( 集中、定长参数线性化) ，高阶系统的降级模 型、大系统的分割、参数估计的误差等都包含着一定程度模糊性。另外，并不是所 有的系统都能简单化为低阶、线性、集中参数和非时变的。 2 ) 设计性能指标函数存在的模糊性 经典控制理论总是把多目标设计问题转化为单一的指标函数极值问题，而往往 忽略许多约束条件，故也有一定的模糊性。 模糊控制系统结构如图2 4 所示，它是由给定输入、模数和数模转换、模糊控制 器、执行机构、对象、反馈信号与给定输入的相加环节等组成。其中模糊控制器是 模糊控制系统和其他控制系统区别最大的环节，它具有下列三个重要的功能t a ) 将系统的偏差从数字量转化为模糊量。 b ) 对模糊量进行一定的给出规则进行推理。 c ) 把推理的结果从模糊量转化为可用于实际控制的数字量。 1 2 第2 章p i p 控制理论 图2 - 4 模糊控制系统结构 f i g 2 - 4 t h ec o n s t r u c t i o no ft h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m 上图所示为最简单的一种模糊控制器，也是模糊控制的基本结构，其他复杂的 模糊控制器都是在它的基础上改进或加上其他环节组成的。图中模糊控制器为模糊 控制执行模块，根据功能可划分为模糊输入，模糊推理判决机构和模糊输出接口三 大部分，他们构成了模糊控制器的控制机理和算法结构。 模糊输入的主要功能是实现精确量的模糊化，即将被控系统输出变量的偏差e 和偏差变化率p 的精确量至转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。 模糊推理决策机构的主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取 得语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出控制量。 模糊输出接口的主要功能是对经模糊推理决策后所得的模糊控制量进行模糊判 决，把输出模糊量转化为精确量后，施于被控对象。 图2 - 5 模糊控制器原理图 f i g 2 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e 舵巧c o t r o l l e r 模糊控制器在模糊控制系统中起着举足轻重的作用，因此在模糊控制系统中， 模糊控制器的设计工作很重要，大致包含以下几项内容： 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 即控制量) ； 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； 3 1 确定模糊化和非模糊化的方法； 河北科技大学硕士学位论文 4 ) 选择模糊控制的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数； 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序； 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 详细设计过程，将在软件设计部分结合例子说明。 2 2 2p i d 模糊整定控制 模糊控制技术是以计算机技术、模糊数学、模糊集合论等为基础，通过模糊逻 辑推理形成具有反馈系统的数字控制系统。它的实现不依赖于被控制对象的精确数 学模型，而是在总结实际操作经验的基础上模仿人的思维方式，通过逻辑推理形成 模糊控制决策规则表，然后通过规则表确定控制量补偿值的大小。它具有不需要建 立精确数学模型，控制灵活适应性强，动态响应品质优于常规p i d 控制，运行速度 和稳定性良好，系统鲁棒性和容错性良好等传统控制方法不可比拟的优点，因而常 用来解决用传统控制方法难以解决的复杂控制问题。 传统的p i d 等控制算法是在被控对象建立数学模型( 传递函数、状态方程) 的基 础上实现的，而工厂现场情况往往比较复杂，受外界各种因素的影响，建立数学模 型比较困难；环境和被控量的变化需要不断对p i d 的参数进行整定，使得控制品质 严重下降。 从上述模糊控制和p i d 控制各自的优势和局限性可以看出，如果把传统线性p i d 和模糊控制结合起来，取长补短，可使系统的控制性能得到提高，是一种很实用的 控制方法。因此，在模糊控制的研究中，模糊p i d 控制技术扮演了十分重要的角色。 利用模糊推理判断的思想。根据不同的偏差e 、偏差变化率2 对p i d 的参数k p ，晷， 进行在线自整定，就可以兼顾两者的优点，这就是基于模糊控制的自整定p i d 控 制器。 2 3本章小结 介绍了p i e ) 控制中的比例、积分、微分控制的原理和特点，综述了p i d 参数自 整定的方法及必要性。概要介绍了模糊控制技术，提出模糊控制与传统p i d 控制的 必要性。 1 4 第3 章p i d 控制器总体规划及硬件电路设计 第3 章p i d 控制器总体规划及硬件电路设计 p i d 控制器需要实现单路模糊p i d 控制，具有参数自动或手动设定、参数模糊 自整定、故障检测、上下限报警、l c d 显示、多机远程通讯等功能、1 6 m 大容量存 储空间，通过r s 2 3 2 接口与便携计算机、掌上电脑链接直接读取仪表历史数据，再 传给计算机，可通过数据管理软件对数据进行分析，通过r s 4 8 5 接口，与组态网等 专业组态软件组成实时监控系统，采用u s b 接口，可直接将数据存储u 盘，现有工 控系统都要求多种通讯接口，控制器开发了多种串行通讯接口，系统分为数据采集、 处理，p i d 控制输出两个单元。系统结构如下图： 数据采集 内都总线 p d 算法 输出信号 r 输入单元 rl输出单元 l 图3 - 1 系统总体结构框图 f i g 3 - 1 t h eb l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m 3 1硬件电路总体设计规划 控制器硬件平台的核心也就是常说的处理器，是p i d 控制器的关键，它的性能 对功能产生决定性的影唰1 6 】。选择处理器时，一般从字长、指令的种类和数量、内 部寄存器的种类数量、微处理器的速度、中断能力以及微处理器的外围电路配套等 几个方面来考虑。p i d 控制器综合考虑了以上因素选取集成度高的微处理器芯片，以 降低系统复杂度，提高可靠性，降低成本。为便于调试实现，控制器又分为两个相 对独立的处理单元。 3 1 1数据采集以及处理单元硬件设计 信号采集转换单元微处理器主要通过t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机完成， m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机内部集成了大多应用于数字信号领域d s p 芯片的硬件乘法器模 块和d m a 模块，这使它可以在低成本的基础上较出色的完成一般的数字信号滤波的 任务，内置的1 2 位精度a d c 模块用于现场模拟量采集，通过s p i 接口与控制单元 通讯。单元采集两路4 - 2 0 m a ( 需经过转换模块转为1 5 v ) 和1 5 v 标准信号，通过调 理电路转换变为m s p 4 3 0 f 1 6 9 内置a d 单元可以采集的范围，采集单元模块图如下： 15 河北科技大学硕士学位论文 - - t 信号转换卜 谓 理 蟹净毫3 0 f l b 9 输入 - i p电 腌 d 转换，倍号处理 数字信号输出 图3 2 采集单元原理图 f i g 3 - 2 t h ef o u n d a t i o n a lp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 3 1 - 2p i d 算法输出单元硬件设计 对于主控单元微处理器的选择，首先，考虑到对采集信号处理能力要求很高； 另外，由于要求控制器具有较强现场通讯能力以满足其在多种控制总线的应用；而 且，设计还要考虑到主控微处理器具有丰富的i o 端口资源以利于解决控制器后续扩 展问题。经过反复的选型结合p i d 控制器的实际硬件需求，综合考虑价格、运算速 度选择了p h i l i p s 公司的a r m 处理器l p c 2 3 6 8 作为主控处理器：因为它具有1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达7 2 m h z 工作频率，具有1 2 8 k 的f l a s h 存储器和3 2 k 的s i l a m ，完全可以满足包含实时操作系统的系统软件设计的需求，丰富而强大的 片内模块，使系统的成本可进一步降低。控制单元接收前级采集模块的输出信号， 执行p i d 控制程亭运算后，可将数据存储( 最大数据量1 6 m ) ；通过通讯接口与上位 机或网络上其他控制器一起共享输出数据；直接经调理电路以标准信号输出参与控 制，模块自带温度传感器采集现场温度，用于数据处理温度补偿和现场温度控制应 用。控制输出卑元模块图如下： 。 裾缀信哆输入 数字强度传黪 嚣 图3 - 3 控制数据输出单元原理图 f i g 3 3 t h ef o u n d a t i o n a lp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ld a t ao u t p u t 1 巧v 信号输出 第3 章p i d 控制器总体规划及硬件电路设计 3 1 3控制器的模块划分与功能定义 控制器电路大致划分为以下模块： 1 ) 电源模块 电源模块主要负责向控制器中各个模块提供电压稳定、使用可靠的电源。 2 ) 键盘模块 键盘模块主要用于命令的下达和状态的设定等，通过键盘输入可以切换控制器 工作状态、切换液晶屏的显示模式、更改控制器参数、切换所显示信号的类型，可 以校正系统时间等操作。键盘模块采用4 x 4 矩阵式键盘。 3 1 液晶显示模块 显示部分选用1 6 0 4 液晶屏。主要是用来显示控制器的工作状态、显示所采集和 输出的模拟量、显示系统时间以及键盘输入的数据等。该液晶屏与键盘完成各项命 令的操作。 4 ) p c 通信模块 控制器与p c 机的通信由通信模块实现， 之间的点一点方式或是主从方式通信。 5 ) 网络通讯模块 支持u s b 、2 3 2 、4 8 5 等多种通讯接口、 制网络。 在电平转换器的支持下实现其与p c 机 协议；通过同一接口与其他仪表组成控 6 ) 环境温度的检测模块 本数据采集装置由d s l8 8 2 0 芯片实现采集点环境温度的检测，通过i 0 引脚模 拟单总线与l p c 2 3 6 8 芯片通信，为主控单元提供环境温度信息。为下一步校正环境 温度引起的测量误差做准备。 7 ) 数据存储模块 数据存储模块的功能是将采集到的数据暂存于f l a s h 中，再通过u s b 接口转 存到l 盘。 8 ) 实时时钟模块 提供给显示和存储模块时闻信息。 3 2 p i d 控制器的软件总体设计规划 a r m 嵌入式系统在硬件选型和p c b 硬件平台设计完成后，就可以依据硬件和 应用的需求，开始进行软件系统的功能和结构的设计了。一般而言，嵌入式系统的 软件可以采用两种，一种是缺少操作系统的嵌入式控制系统软件，另一种是在具备 嵌入式操作系统情况下的嵌入式软件【7 1 。现在嵌入式操作系统在嵌入式系统的作用日 益重要起来，它可以便实时应用系统的设计和扩展变得更容易，通过将应用程序分 17 河北科技大学硕士学位论文 割成若干个独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；缩短了开发周期； 降低了难度；增强了稳定性。 p i d 算法输出单元l p c 2 3 6 8 单片机处理任务较多，调度复杂，为保证软件可靠 性采用嵌入式实时操作系统支持下的软件设计方式。操作系统是计算机中最基本的 程序，负责系统中全部软硬资源的分配与回收、控制与协调、并发的活动；提供用 户接口，使用户获得良好的工作环境；为用户扩展新的系统功能提供软件平台。 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，为系统 提供实时性调度。在嵌入式系统的开发中，嵌入式操作系统软件是实现各种系统功 能的关键，也是计算机技术最活跃的研究方向之一。只有拥有嵌入式多任务操作系 统，拥有稳定工作的硬件基础，开发工作重点才能由原来硬件的调试、软件的d e b u g 转变为对于实际应用系统的性能的提高、智能化软件的编写。此外，只有在一个完 整的、具有统一编程规范的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才 可能具有良好的可移植性，才可能被重复利用。嵌入式实时操作系统种类很多，大 体可以分为商用型和免费型。不同的应用对嵌入式软件系统有不同的要求，通常， 应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁减性和 可移植性。 随着嵌入式系统发展和应用的多样性，嵌入式操作系统的选择主要考虑以下几 方面的因素： 1 ) 操作系统的硬件支持：如支持目标硬件平台和可移植性； 2 1 开发工具的支持程度：如编译器、链接器、调试器及仿真环境等； 3 ) 能否满足系统应用需求：如实时性、中文化支持、可靠性等； 4 1 成本和技术支持：如整个目标系统的成本和操作系统的成本： 5 ) 自行开发或自建操作系统：如l i n u x 和u c o s 等。 综合比较，本论文选用源代码公开的、具有很好可移植性的、可固化可裁剪的、 高稳定性与可靠性、抢占式多任务的、代码简洁的u c o s i i l 2 7 i 。 控制器数据采集、处理单元中m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机采用传统的前后台方式的软件 设计。应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后台系统。循环中调用相应的函 数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异步事件，这部 分可以看成前台行为。 3 3 本章小结 本章根据p i d 控制器所要实现的功能和技术指标，给出了控制器的总体规划方 案。硬件规划中说明了各单元之间的关系与功能定义。软件规划中提出采用实时操 作系统u c o s i i ，增强了控制器的实时性、可靠性。并且对控制器中算法处理单元 18 第3 章p i d 控制器总体规划及硬件电路设计 芯片和数据采集、处理单元芯片进行了选型。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 第4 章控制器硬件电路设计 4 1 p i d 算法输出单元最