（模式识别与智能系统专业论文）pid自整定控制仪的研制与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 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、鲁棒性好及可靠性高， 至今仍广泛应用于过程控制和运动控制中。随着现代过程工业生产的发展，现场工况变 化频繁和日益复杂、需要经常对p i d 参数进行不断整定，以适应工艺产品产量和质量的 要求。本论文针对生产过程控制现状，研制和开发了p i d 自动整定仪来解决复杂工艺装 置的p i d 参数整定问题。 论文首先阐述p i d 自动整定仪总体方案设计，软件采用模块化设计包括系统初始程 序模块、量程选择模块、采样设定模块、模型辨识模块、参数整定模块等。硬件设计选 用a r m 7 l p c 2 1 3 2 芯片为核心处理器，c a 3 2 0 2 4 0 c 液晶显示屏作为系统的显示单元， 完成模拟量采样、p i d 自整定运算、模拟和数字控制量输出、液晶显示、按键设置、通 讯等功能。 论文在查阅国内外文献资料的基础上，对目前国内外p i d 控制应用状况和整定方法 进行了分析和比较，结合嵌入式系统需要算法简单逻辑性强等要求设计采用了基于相关 系数辨识法的p i d 自动整定算法。该算法主要由两部分组：相关系数辨识部分和p i d 最 优整定部分。相关系数辨识部分包括数据采集、数据处理、模型辨识和模型检验内容； p i d 参数最优整定是一个基于二次型目标函数的最优控制器参数设计的过程。采用相关 系数法辨识对象的模型，并在此基础上，根据所设计的目标函数，采用h j 模式搜索法 寻优出最佳p i d 参数。研制和开发的p i d 自动整定仪可以在不影响生产过程条件下对控 制过程进行离线建模，并自动整定出优化的p i d 控制参数。 论文在m a t l a b 仿真验证的基础上，以大连理工大学过程控制实验室液位实验装 置作为试验对象，进行了软件调试验证，通过现场试验及数据分析，验证所开发软件能 够在扰动情况下使实验装置很快恢复到平衡点。 关键词：p i d 整定；相关系数法；h o o k e - e v e e s 模式搜索法；嵌入式系统 p i d 自整定控制仪的研制与开发 t h er e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no np i da u t o t u n i n gc o n t r o l l e r a b s t r a c t f o rt h ea d v a n t a g e so fs i m p l e ，r o b u s ta n dh i g hs t a b i l i t y , p i dc o n t r o la l g o r i t h ma r ew i d e l y u 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 w i t ht h ei n c e s s a n t l yd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， s o m ee q u i p m e n t sw h i c ho p e r a t i n gc o n d i t i o nc h a n g e sf r e q u e n t l ya n dc o m p l i c a t e d l ya n dn e e d t oo p t i m i z et h ep i dp a r a m e t e rt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o nq u a l i t ya n dq u a n t i t y t h e r e f o r e ，t h ep a p e ra r n l sa tt h es t a t u so fi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，r e s e a r c ha n de x p l o i tp i d a u t o - t u n i n gc o n t r o l l e rt o 。r e s o l v et h et u n i n gp r o b l e mo fp i dp a r a m e t e ri nc o m p l i c a t e d t e c h n i c s f i r s t l y , t h i sp a p e re x p o u n d st h ec o n t r o l l e rb l u ep r i n to fd e s i g n s o f t w a r ed e s i g na d o p tt h e m e t h o do fb l o c kd e s i g n ，w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no fi n i t i a l i z em o d u l e 、s a m p l i n gm o d u l e 、 m o d e li d e n t i f ym o d u l ep a r a m e t e rt u n i n gm o d u l ea n ds oo n t h e s em o d u l e sc a na c h i e v et h e a r i t h m e t i c o nt h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ed e s i g n , a r m 7c h i p l p c 213 2m a d eb yp h i l i p s c o m p a n yi su s e da sc p uo ft h ec o n t r o l l e r , c a 3 2 0 2 4 0 cc h i pi s u s e da sl c dm o d u l e c o n t r o l l e r ，w h i c ha c c o m p l i s ha n a l o gs a m p l i n g ，a u t o - t u n i n gp i dc o m p u t i n g ，a n a l o gs i g n a la n d d i 酉t a ls i g n a lc o n t r o lo u t p u t ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，k e y p a ds e t t i n g s ，t h eb u sc o m m u n i c a t i o n s ， a n do t h e r sf u n c t i o n s t h r o u g ht h ed o m e s t i ca n da b r o a dl i t e r a t u r e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ea c t u a l s t a t eo fp i dc o n t r o la p p l i c a t i o na n do p t i m i z e dt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d ，c o n s i d e r i n gt h e e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yw h i c hr e q u i r e ss i m p l ea r i t h m e t i ca n db e t t e rl o g i c a l i t y , t h ep a p e r a d o p t sap i dc o n t r o l l e ra u t o t u n i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti d e n t i f i c a t i o n a p p r o a c h t h i sa r i t h m e t i ca r ec o m p o s e do ft w op a r t s ：c o r r e l a t i o n s h i p c o e f f i c e n ti d e n t i f i c a t i o n a n dp i do p t i m i z et u n i n g t h ef i r s tp a r ti n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，m o d e l i d e n t i f i c a t i o na n dm o d e lv e r i f i c a t i o n a n dp i do p t i m i z et u n i n gi sad e s i g n i n gp r o c e s so f e x i m i o u sc o n t r o l l e rp a r a m e t e rb a s e do nq u a d r a t i co b j e c t i v ef u n c t i o n t 1 1 i sp a p e ra d o p t c o r r e l a t i o n s h i p c o e f f i c e n ti d e n t i f i c a t i o nt om o d e lt h ep l a n t ，a n dt h e n ，t u n et h ep i dp a r a m e t e r b yh o o k e j e e v e sm e t h o di na c c o r d a n t ew i t hac e r t a i no b j e c tf u n c t i o n t h i sc o n t r o l l e rc a l l b u i l dc o n t r o lp r o c e s sm o d e l sw h i l ed o e s n ti n f l u e n c ep r o d u c t p r o c e s s ，t h e na u t o t u n et h ep i d p a r a m e t e r b a s e du p o nt h ea r i t h m e t i cr e s u l t sa r es i m u l a t e db ym a t l a b ，t h i s p a p e rd e b u g sa n d v a l i d a t e sa r i t h m e t i co nt h es e t t i n go fl i q u i ds t a t i o nf o rt h ep r o c e s sa u t o m a t i o nl a bi nd a l i a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，t h r o u g ham a s so ft e s t sa n dd a t aa n a l y s i s ，t e s t i f i e st h i sa r i t h m e t i c c o u l dm a k et h ep r o c e s sr e t u r n st ob a l a n c ef l e e t l yw h e nl a bm o d u l eb ed i s t u r b e d i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：p i dt u n i n g ；c o r r e l a t i o n s h i p c o e f f i c e n t ；h o o k e j e v e e sm e t h o d ；e m b e d d e d s y s t e m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 陛鳢丕越匕幽圣牲i 钮缢： 作者签名： 垃弛煌日期：递芝年_ 一陵月2 生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 业刍整蛊逝l 赵鱼堑鱼：l 纽旋 作者签名： 导师签名： 日期：型星年也月五釜日 日期：2 翌年刿必 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 现代化工业过程的典型特征是大规模、连续性并且自动化。一般的工业过程通常有 几十甚至几百个控制回路，这些回路大多数都采用p i d 控制。因此，p i d 控制回路的正 常工作，是保证生产装置安全、稳定运行的基础，同时也是采用先进过程控制、操作优 化、质量管理等多方面优化操作的基础【1 1 。同时，装置在运行过程中，过程对象的动态 特性会发生或大或小的变化，如果可以实现p i d 参数的自整定，则可以在过程特性发生 变化以后使控制器参数自动跟随作相应的变化，即可使p i d 控制器具有一定的自适应控 制能力。因此，研究p i d 自整定问题即可满足现代化工业生产过程的主流控制又可改进 其一些不足，具有相当的现实意义。 同时，随着单片机技术的不断发展以及嵌入式系统的应用越来越广泛，嵌入式计算 机系统在现代化工业过程控制中的应用也是一个重要的应用方向，它很好的解决了p i d 参数整定需要小型化、微型化、高效率整定装置的问题。因此最终，本论文将p i d 自动 整定优化算法与嵌入式技术相结合，使整个系统具有较高的性能价格比，并具有较为广 阔的应用前景。 1 1pld 控制概述 1 1 1p id 控制概念与特点 自动化技术经过经典控制和现代控制两个阶段的发展，使p i d 算法自动控制理论发 展日趋成熟。经典控制理论为2 0 世纪初开始形成并于5 0 年代趋于成熟的经典反馈控制 理论。以传递函数为基础，主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题， 主要用于工业控制【2 1 。典型的经典控制理论包括p i d 控制、s m i t h 控制、解耦控制、串 级控制等。现代控制理论为5 0 、6 0 年代产生的新的控制理论，有自适应控制、模糊控 制、最优控制、多变量控制、智能控制等适用于不同对象环境的控制算法，而控制系统 的结构也从单一对象闭环控制系统，逐步发展到单一对象多环控制系统、多变量控制系 统、分级控制系统、集散控制系统、综合自动化系统和复杂控制系统等。从最初经典控 制理论的基本p i d 控制到现代控制理论中的一些先进控制如自适应控制等，都涉及了 p i d 算法整定，因此自动化技术的发展包涵了p i d 控制的发展，使其从基本p i d 控制发 展到可以适应现代工业控制要求的先进p i d 控制。 p i d 控制是一种线性控制，将给定值与实际输出值偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分 ( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制【3 】。p i d 控制各校正环节作用如下： p i d 自整定控制仪的研制与开发 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控 制作用，以减小偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时 间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之越强。积分作用越强则系统静差越小，但 系统越容易震荡，不利于系统稳定。 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号变得太大之前， 在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间并有 利于减少超调。 p i d 控制的特点是原理简单，适应性强，鲁棒性强，最突出的特点在于它不依赖对 象精确的数学模型，可以解决工业过程精确建模的困难 4 1 。另外，由于其应用时期较长， 控制工程师们也积累了大量的p i d 参数的调节经验，在此基础上p i d 算法改进更容易。 1 1 2 pid 控制的现状 据统计，目前工业控制器中约有9 0 是p i d 控制器。p i d 参数整定方法的研究也是 控制领域一直关注的问题。国内外关于p i d 参数整定方法也进行了大量的研究和开发工 作【5 】。p i d 控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制 器向着数字化、智能化控制器的方向发展。这些数字化、智能化的控制器有着传统的模 拟控制器所无法比拟的优点，如：可以灵活地改变控制参数，可以灵活地改变控制策略 等。 但是目前我国过程工业中，模拟的电动组合式( d d z ) 仪表应用还很广泛，还有相当 多的回路使用的是模拟的p i d 调节器；即使现场回路采用的是数字p i d 调节器，p i d 参 整定数模块也较少带有自整定功能。 因此现在工业现场迫切需要的是那些性能可靠、效果良好、携带方便、投资较小的 带有自整定功能的p i d 参数自整定仪表，可以随时对回路的控制器参数进行整定。另外， 在需要对过程操作进行在线优化，实现最优化控制时，同样首先需要对p i d 调节器参数 进行事先整定，否则，最优化控制往往不能达到预期的效果。 1 1 3 p id 控制的局限性 随着工业装置的控制回路越来越多，操作越来越复杂，常规p i d 控制器的参数往往 难以整定好，一些回路的控制效果不能令人满意，对产品产量、原料消耗、能耗等都会 带来许多不利的影响，甚至会影响到装置的安全操作，大大影响了p i d 调节器的控制效 果，影响了p i d 调节器的广泛应用。而如果采用一些先进控制方法，不仅要增加设备投 大连理工大学硕士学位论文 资，而且还要对控制工程师及操作人员进行业务培训，这往往是一些中小型企业不愿或 难以承受的。其次，常规p i d 控制器的参数与系统所处的稳定工况有关。一旦工况改变 了，控制器参数的最佳值也就应该随之改变，即控制系统需要适时的整定控制器的参数。 常规p i d 参数复杂繁琐的整定过程不仅需要经验、熟练的技巧，而且往往相当费时，并 且当一个常规p i d 控制器被应用到模型参数时变系统时，当工况改变，因为其模型参数 不能随系统变化实时调整，需要调整控制器参数时，p i d 控制器没有适应工况变化的能 力，会使系统的性能变差，甚至不稳定。 另外，在对p i d 参数进行整定的过程中，p i d 参数的整定值一般只是具有一定局域 性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和 稳态精度的矛盾。 最后，大多p i d 算法是通过经验公式控制参数，因此只能离线调整，不能在线控制。 而且只能适用于满足经验公式条件的对象，只利用了较少的系统动态特性信息，所以得 到的控制器性能也是很局限的。也有一些方法可以算出控制器参数的精确值，可使系统 要求性能达到较高的标准，但得到的控制器对模型参数误差和干扰很敏感。 1 2 pid 控制改进方案 针对上述p i d 控制现状，控制领域的专家与工作人员也找寻与研究了许多改进的 p i d 控制方案，以期能够解决随着工业过程的发展出现的p i d 整定问题。 1 2 1 自适应p id 控制 传统的p i d 参数整定方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确 定p i d 参数，而在实际的工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂。具有高度非线性、 时变不确定性和纯滞后等特点，并且在噪声、载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模 型结构，均会发生变化。因此在p i d 控制中，希望p i d 参数的整定不依赖于对象数学模 型，并且p i d 参数能在线调整，以满足实时控制的要求【6 7 】。自适应p i d 控制将是解决 这一问题的有效途径。 自适应p i d 控制是将自适应控制思想与常规p i d 控制器相结合，形成了所谓自适应 p i d 控制或自校正p i d 控制技术。自适应p i d 控制吸收了自适应控制与常规p i d 控制器 两者的优点。首先，它有自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控 过程参数的变化等一系列优点。其次，它又具有常规p i d 控制器结构简单、鲁棒性好、 可靠性高、为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点。自适应p i d 控制具有的这两 大优势，将使它成为过程控制的一种较理想的控制方法，也同样将成为自适应控制发展 的一个方向。 p i d 自整定控制仪的研制与开发 1 2 2 智能p id 控制 在近l o 多年来，智能p i d 控制成为改进p i d 新的研究方向，引起人们的普遍关注 和极大兴趣。智能p i d 控制器具有自整定、自综合和监控三种运行状态。自整定根据对 象特性变化自动整定p i d 参数，使控制系统具有稳定鲁棒性；自综合保证控制系统的性 能鲁棒性；监控状态用来确保控制系统安全可靠运行。它将智能控制与常规p i d 控制相 结合，具有不依赖系统精确数学模型的特点，且系统的参数变化也具有较好的鲁棒性。 1 2 3 模糊p id 控制 针对工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统的情况，解决有 的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰，有的无法获得精确的数学模型的问 题，模糊控制器作为新型控制器近年来发展起来。其优点是不要求掌握受控对象的精确 数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。将模 糊控制和p i d 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点， 又具有p i d 控制精度高的特点i s 。 只是该方法需要根据人工控制规则组织控制决策表，而整理人工整定p i d 经验是一 个复杂的过程，并且针对不同的情况，往往有许多种不同的整定方法，就需要配有很好 的硬件计算机资源来存储这些控制规则。因此将此种方法用于工业过程控制有一定的局 限条件。 1 2 4 自整定p id 控制 自整定p i e ) 控制是现在比较容易实现与应用的改进p i d 控制方法。现代工业控制系 统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突 变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求p i d 控制器具有在线 修正参数的功能，使控制器能够根据运行环境的变化，适时地改变其自身的参数整定值 以求达到预期的正常闭环运行，并有效地提高系统的鲁棒性。 具有自动整定功能的控制器，由控制器自身来完成控制参数的整定，不需要人工干 预，它既可用于简单系统投运，也可用于复杂系统预整定。运用自动整定的方法与人工 整定法相比，无论是在时间节省方面还是在整定精度上都得以大幅度提高，这同时也就 增进了经济效益。目前，自动整定技术在国外已被许多控制产品所采用，对其研究的文 章则更多【9 1 0 】，也研制和开发了许多p i d 自动整定软件包。我国在这方面也作了大量的 工作，开发了基于不同计算机平台的p i d 参数整定软件包，取得了较好的效果。中国科 大连理工大学硕士学位论文 学技术大学自动化系也曾开发了基于便携式计算机的、采用自行开发的a t l o o p 软件包 il l 的p i d 参数整定系统等等。 1 3 本论文研究方向与内容 本论文针对p i d 控制的现状【1 2 4 1 、发展以及局限性，选用先进控制中自整定控制方 案改进常规p i d 控制来对p i d 控制器进行研制和开发，选定相关系数法作为系统自动辨 识方法，并用工程最优化方法自动快速优化p i d 参数，对此套方案进行大量仿真与实际 试验，分析比较实验数据对算法改进优化。并针对此套算法进行硬件设计，运用嵌入式 a r m 7 为内核进行嵌入式开发。 全文共分五章，其中第三、四、五章是本文研究的重点。主要内容安排如下： 第章绪论。阐述了课题的研究意义和p i d 控制方法及发展现状及不足，介绍了 几种改进的控制方式。 第二章控制器整体方案设计。介绍硬件整体设计方案及软件整体设计方案。并对 整体控制器功能进行概述。 第三章p i d 自动整定控制算法的研究与优化。提出了相关系数法，在不影响生产 过程条件下对模型进行辨识；之后选用工业优化方法h o o k e j e v e e s 模式搜索法以辨识后 的模型为基础整定p i d 参数，并针对硬件设计进一步完善该套算法。 第四章算法性能仿真与测试。并针对此套算法用m a t l a b 进行大量仿真试验， 对算法进行改进。最后以大连理工大学过程控制实验室为试验背景对该套算法进行实际 验证。 第五章硬件详细设计。介绍控制器硬件设计，对内核、r a m 、串口、电源等各模 块进行针对性设计。 结论与后续研究工作的展望。 p i d 自整定控制仪的研制与开发 2pid 自整定控制仪结构设计 设计p i d 自整定控制仪，需要在总体分析的基础上，选择处理器和相关外部设备、 软件设计语言以及软件硬件的需求分割【1 5 】。本论文采用软硬件协同设计思想，在系统设 计的每一步都是硬件和软件一起协同考虑，利用现有的软硬件资源，缩短开发周期、提 ：高系统性能，避免独立设计软硬件体系结构带来的弊端。本章简明阐述了以l p c 2 1 3 2 为内核的硬件整体设计思想，以a d s t l 6 】软件为开发平台的软件结构框架以及控制器要实 现的整体功能。 2 1 硬件整体设计 2 1 1 硬件设计思想 ( 1 ) 运算速度快，整定效果好 前人也曾做过类似的p i d 参数整定仪，基于8 位单片机、数码管显示、仪表整定时 间长( 约3 0 分钟) ，用户界面也较单调，不能对用户的操作进行必要的指导。之后，有 人采用i n t e l 公司的8 x c l 9 6 系列的1 6 位单片机作为微控制器进行开发。本论文设计 则采用飞利浦公司的l p c 2 1 3 2 微控制器，具有3 2 位程序总线和3 2 位数据总线。这从 系统核心上提高了系统的运算速度。3 2 位总线可以充分发挥3 2 位c p u 的特点，最大限 度的提升系统速度。6 4 k b 的嵌入高速f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储器接口使3 2 位 代码能够在最大时钟速率下运行；使程序存储量和数据存储量满足了算法的要求，使得 我们可以有较充足的资源来尽可能地提高整定的精度。这些措施从根本上保证了本系统 的整定时间和整定效果。 ( 2 ) 液晶显示，图形界面，菜单操作，操作方便 智能仪表的人机交互功能是仪表性能指标的一个重要方面，友好的人机交互界面可 以更大限度的体现智能仪表的智能性。本整定仪有必要的操作菜单提示，工作状态显示， 整定结果显示，用户满意度判断等等，最大限度的方便用户的操作。 ( 3 ) 性能稳定，工作可靠 本系统要工作于环境较为恶劣的工业过程现场，各种电、磁干扰较强，所以系统的 设计要以稳定为前提，在硬件选择及配合上要注意器件时间的匹配。 ( 4 ) 硬件系统留有余地以便二次开发 由于软件的升级比硬件方便很多，仅需要修改或添加软件中数据处理的模式或者算 法，就可以大幅度提高系统的功能。因此在硬件设计时就充分考虑到要留有余地，以便 大连理_ t 大学硕士学位论文 将来的修改和扩充。同时，留有r s 4 8 5 通信接口，便于以后挂接总线，组成分布式仪 表系统。 ( 5 ) 尽量以软件代替硬件 在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能尽量用软件实现，这样不仅节省成 本，而且也提高了系统的可靠性。 2 1 2 硬件整体设计方案 在对控制器整体功能和应用场合进行仔细的考虑和研究后，我们将硬件模块设计成 如下结构，结构图如图2 1 所示，整个硬件系统主要分为微控制器、l c d 液晶显示模块、 键盘接口模块、信号采集及输出模块、串行通信接口、电源及监控复位电路。 厂孟i ；l c d 鑫不 l一 一一i i 一一 一2 路 o ：4 蹄 ir 一 。一模拟艟输鬯一 一二一i卜 ! 触一! i 一一一 l 一 批j 。a r m 蝌j r 12 路“的微处理器f i 一， p w m 输出 爿 7 1 广_ 二二爿 键盥输入 l j 】lpc2132 l ”“。1 1 。“一一 塑纠悻墨鲥：l 监控信号 【一。、一 图2 1 硬件整体结构设计圈 f i g 2 1 t h eb l o c kd e s i g nd i a g r a mo fh a r d w a r e 采用a r m 7 的l p c 2 1 3 2 作为微控制器，它的高速处理系统可以让算法整定时i 白j 短， 效果好。l c d 液晶显示提供友好的人机交互界面，使操作人员的经验与自动控制很好的 结合。通用的信号采集模块可以让该控制仪应用在不用的工业场合，并配有模拟量输出 与数字输出以及报警信号输出。 2 2 软件整体设计 2 2 1 嵌入式软件设计简介 嵌入式软件系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 p i d 白整定控制仪的研制与开发 于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统【1 7 】。在嵌入式 系统中，操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统中，即软硬件一体化，因此它的功 耗、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。它具有软件 代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于实时和多任务处理的场合。 嵌入式软件系统和其他的丌发工作没有本质区别，只是每个硬件平台都是独特的， 这一不同点导致了许多附加的开发复杂性，因而，在嵌入式系统的开发过程中要要对选 用的嵌入式硬件平台有较多的了解，具备相应的硬件知识。在本设计中，由于我们选用 的算法并不十分复杂，此软件设计不需要设计特定的操作系统，只要设计此算法应用软 件即可。 在工程实际应用中，我们不仅需要完成硬件的设计与测试，还要根据需求进行软件 的设计和调试工作，因此在设计出符合要求的硬件电路基础上，还需进行软件系统的设 计和调试。代码程序编写短小精悍一直是软件编程的标准，但这是针对以前单片机速度 慢、存储容量小的情况，现在的嵌入式微处理器无论在速度和存储容量上都已不构成开 发的限制，软件开发的目标则更多考虑软件的可读性、可移植性等f 1 8 】。经典的软件设计 方法是采用汇编语言编写程序代码，但由于汇编语言是一种非结构化的语言，对于大型 的结构化程序设计已经不能完全胜任了，现在则常采用更高级的c 语言去完成这一工作。 因此在此设计中我们采用c 语言与汇编语言相结合的思想进行软件设计，以使算法效率 更高。 2 2 2 软件功能需求简介 ( 1 ) 算法简单 为了适应嵌入式微处理器的硬件要求，虽然现今有许多先进p i d 控制算法，但由于 其算法复杂实现起来比较困难而不适合应用在本整定控制器中。通过对算法的仔细研 究，我们选择原理上比较容易理解的算法。此算法对操作人员的专业知识要求不高，简 单易用，容易培训和操作。 ( 2 ) 操作界面友好，系统操作简单 友好的操作界面能够体现智能仪表的优越性，并且能对用户的操作可以进行必要的 引导，对系统的工作状态进行必要的显示。另一方面，为了充分利用操作人员对p i d 整 定的经验，提供了用户满意度判断模块，以用户的标准为基础整定p i d 参数。整个软件 系统设计成一个菜单系统，所有工作都在这个菜单界面下完成。 ( 3 ) 为系统功能升级、算法改进留有必要的余地。 ( 4 ) 整定时间短，整定效果较好，适应范围较广，抗干扰性好。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3 软件整体设计思想 控制仪采用模块式软件设计方法，它的基本思想是根据数据流图建立一个良好的模 块结构图。该方法采用分解的手段把一个大型系统分解成一个个功能相对独立的模块， 分别设计各个模块的程序流程和算法程序，按照一定的结构形式来设计和编写程序，从 而使程序易读、易理解和易修改，尽量使用数据耦合，少用控制耦合【1 9 1 。之后分别调试 完毕后，进行系统调试，使模块之间耦合度尽可能小，内聚度尽可能强。这样的设计有 利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护。 本控制器主要包括以下程序模块： ( 1 ) 系统的初始程序模块：用来设定控制器工作的日期、系统的初始化驱动以及整 定的回路等。 ( 2 ) 量程选择模块：用来确定被采样的信号的上下限值。 ( 3 ) 采样设定模块：用来确定采样周期和采样点数，并进行采样。采样的同时要进 行滤波以及筛选，减少噪声干扰对采样数据的影响，检测采集的数据是否包含了对象足 够多的信息，清除不合格的采样数据，保证所采样数据的质量。 ( 4 ) 模型辨识模块：估算系统的增益，并根据采样数据及期望输出采用相关系数辨 识法辨识出系统的数学模型，使辨识的模型与原模型有较好的线性相关度。 ( 5 ) 参数整定模块：确定p i d 参数的初值，允许用户重新设定p i e ) 参数的初值，作 为p i d 参数寻优的起点，采用h - j 寻优算法对p i d 参数进行参数寻优，并给出系统在最 优p i d 参数的控制下的响应，由用户来判断此次寻优是否成功。如果成功则输出，如果 不成功可以选择再次寻优。 上面模块还要进行详细划分，每个模块之间的耦合很少，这样就可以独立编程、调 试，提高了软件开发的模块性。如图2 2 是软件系统总体结构图。 p i d 自整定控制仪的研制与开发 图2 2 软件总体结构图 f i g 2 2 t h eb l o c kd e s i g nd i a g r a mo fh a r d w a r e 2 2 4p i d 参数自整定算法的研究思路 p i d 参数自整定是控制仪非常重要的一个功能，自整定结果的优劣将直接决定控制 器控制效果的好坏。目前已经提出了多种p i d 参数自整定算法。但是每种算法都各有其 优缺点，适用于不同的受控对象。而且很多整定算法虽然整定效果很好但较为复杂，实 现起来代价较高，难以在现场得到实际的应用。因此，p i d 参数自整定算法的研究是本 论文的重点之一。 本文对p i d 参数自整定算法进行研究的目的就是找到一种比较适合该控制仪的p i d 参数自整定算法。基本的研究思路如下： 首先，在掌握p i d 控制的理论基础和p i d 参数自整定的一些基本信息后，通过大量 阅读国内外p i d 参数自整定相关资料，了解这个领域目前的发展情况以及发展趋势，尽 可能多地掌握取得较好应用的p i d 参数自整定方法。其次，从可行性、复杂度、运算效 率等几个方面对己掌握的p i d 参数自整定方法进行定性的分析，选出合适的整定算法。 最后通过m a t l a b 仿真，从稳定时间、超调量、上升时间、干扰恢复时间等几个方面 分析比较它们的控制效果，针对该控制仪的特定要求对改算法进行改进并验证。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 5 软件整体设计原则及改进方案 进行软件设计时，主要是采用高级语言c 语言编写。在程序编写是，应遵循以下原 则： 使用三种基本控制结构：顺序、选择、循环；程序语句尽可能简单明了，是程序段 层次清晰。复杂的控制结构尽量简化为简单的控制结构嵌套来组成。可以使程序流程和 结构清晰，提高程序的可读性； 每一种控制结构只有一个入口和一个出口； 尽量不使用g o t o 语句。g o t o 语句的滥用会使程序的流向变得混乱，程序不易维护。 遵循以上原则进行程序编写会使程序的功能明确，可靠性大大提高。同时在软件模 块具体实现的过程中，针对不同的实现问题对模块实现进行了改进：尽量消除重复功能， 改善软件结构。特别是一些显示部分，有些代码可以复用，删除之后可以优化软件结构， 减少了软件编码，既节省了硬件空间，也使执行效率大幅提高。其次，程序出错时，给 出出错信息；在执行取消操作时，要停止所有操作，恢复各个变量的原来值。最后对个 模块之间的耦合程度也进行相应改进，减少模块之间的控制流。 p i d 自整定控制仪的研制与开发 3 基于相关系数辨识的p id 整定算法研究 本章介绍基于相关系数辨识法的p i d 自动整定算法。此算法是在相关系数辨识法原 理及建模的基础上，根据所设定的目标函数，研究采用h j 模式搜索法进行寻优最佳p i d 参数，同时对模型辨识算法和参数整定算法针对硬件环境进行了优化与必要的精简，改 进了具体的寻优策略，明显提高了整定速度，该方法鲁棒性强，具有很好的系统跟踪和 抗干扰性能，可作为工业p i d 自动整定仪开发的实用方法。 3 1概述 3 1 1 基于相关系数辨识法的p i d 自动整定算法基本原理 首先对于辨识方法的选择，可选择的辨识方法有很多种，这些辨识方法就其所涉及 的模型形式来说，可以分成两类：经典的辨识方法和现代的辨识方法。经典的辨识方法 可以不必事先确定模型结构，但经典辨识法对噪声或多或少都是敏感的，原则上只有在 高信噪比的情形下才是有效的，并且都要对过程施加试验信号，对实际生产会造成一定 的影响。现代的辨识方法是实现假定一种模型结构，通过极小化模型与过程之间的一定 的误差准则函数来确定模型的参数 2 0 j ，其中，最小二乘法应用最为广泛。它利用最小二 乘原理，通过极小化广义误差的平方和函数来确定模型的参数，可以离线或在线辨识， 且工程上比较容易实现，鲁棒性强。但最小二乘法也存在着难以确定被辨识系统的时延、 阶次的困难，因而直到今天也没有为广大控制工程师所真正掌握。 我们的目标是要寻找这样一种辨识算法，算法稳定可靠，同时又能够让即使不懂辨 识算法的人经过简单的培训也能使用，所以最后我们采用了一种基于相关系数的辨识算 法。 相关系数辨识法的实现思想是采用实际系统( 控制对象) 闭环运行时的输入输出数 据序列以及用实际输入数据激励模型而产生的输出来对模型进行辨识。实际采集的输入 数据序列激励给定参数的模型，得到对应于该模型的模型输出序列后，与计算出实际系 统输出序列比较，求取两种输出序列之间的相关系数，通过不断调整模型的参数，搜索 对应于相关系数最大值的数学模型，以此数学模型代替实际系统。 取得一个较好的辨识模型之后，我们希望有一种p i d 参数进行整定方法能够算法简单， 在工程上容易实现，因此在此数学模型的基础上依据二次型性能指标设计采用工业最优 化方法h k 模式搜索法最优p i d 控制参数。 大连理工大学硕士学位论文 该方法是一种建立在现代控制理论基础上的工程整定算法，原理简单，操作方便， 鲁棒性强，不需系统开环运行，同时一般不需要对系统施加扰动信号，即使不熟悉p i d 整定算法的操作人员也能使用的较好。特别是由于不需要在实际系统上进行操作，因此 不会对实际生产造成影响，适合现代工业生产对控制的要求。 本算法由两部分构成：相关系数辨识法和p i d 最优整定法。 相关系数辨识部分包括数据采集、数据处理、模型辨识和模型检验四部分，以相关 系数的大小为标准拟合实际过程系统，建立辨识模型。 p i d 参数最优整定是一个基于二次型目标函数的最优控制器参数设计过程，对象模 型确定后，依据这组模型，根据二次型目标函数，采用h o o k e j e e v e s 模式搜索法在线 整定p i d 参数。其方法属于自整定p i d 的最优整定，与自适应p i d 整定方法相似。 3 2 相关系数辨识法 假设】，y 。为随机变数，m j ，m 分别为y ，y 。的数学期望，则y 与y 。的相关 肛毋端等 艿 相关系数表示随机变量】，与】，。的线性相关程度。它具有如下性质： ( 1 ) 俐1 ； ( 2 ) 若】，】，。相互独立，则= 0 ； ( 3 ) 例= 1 的充分必要条件是y 与y 。以概率1 线性相关，即：p 匕= a y + b = 1 ，a 、 在实际应用中，应用计算机进行模型拟合，必须采用离散的输入输出点，因此用测 量数据y ( i ) ，虼( i ) ( f = 1 ，2 ，n ) 的子样相关系数7 代替y ，y 。的相关系数，因为子 样相关系数具有与相关系数类似的性质，所以可以用子样相关系数进行替代。子样相关 系数y 的公式如下： p i d 自整定控制仪的研制与开发 其中 7 = 兰 j ，( ，) 一歹 j ，。( 沪死 ) 歹= 万1 荟ny ( f ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 死= 寺( f ) ( 3 4 v i = l 相关系数辨识法认为：如果一个模型是对实际过程的比较好的描述，那么在相同的 控制序列的作用下，模型输出序列与实际过程输出序列的线性相关程度应比较好，即子 样相关系数接近1 ，如果根本不能描述实际过程，则子样相关系数接近于0 。因为不同 模型与实际过程的相关系数是不尽相同的，所以与实际过程具有最大相关系数的模型即 可以认为是对实际过程的“尽可能好的 拟合。其原理如图3 1 。 图3 1 相关系数辨识法工作原理 f i g 3 1c o r r e l a t i o n s h i p - c o e f f i c e n tm e t h o dw o r k i n gt h e o r y 应用相关系数辨识法，首先需用户确定实际过程的模型类型，即确定要辨识的参数， 接下来建模过程就转化为寻找一组与实际过程具有最大( 关于输出序列的) 相关系数的 模型参数的过程。 从实际工业过程可获得输入序列“( f ) 和输出序列y ( t ) 数据，在离线状态用控制序列 激励过程模型，得到模型输出序列y m ( f ) 。计算过程输出序列与模型输出序列的子样相