采用DSP实现温度控制系统中的PID算法

1、总第158期舰船电子工程Vo.l27No.22007年第2期ShipElectronicEngineering 188 基于DSP的PID温度控制系统郑 磊(东南大学自动控制系 南京 210096)*摘 要 在科学实验、工业生产、家庭生活等各个领域,温度控制得到了广泛的应用,但是一般的温度控制系统有超调量大,响应时间长等不足,为此研究以TMS320C549为平台实现PID控制算法在温度控制系统的应用,提出PID算法时间最优化与PID参数寻优处理的方法,给出基于DSP实现的温度控制系统。经实验验证,系统达到响应快,无超调量的目的。关键词 PID控制算法;DSP;时间最优化;PID参数优化中图分类

2、号 TP202+1 引言PID控制是发展最早、应用最广的一种控制策略,由于其算法简单、鲁棒性较好、可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中。由于PID控制器参数直接影响着控制效果的好坏,一般用于温控系统的PID算法大多在经验和实验基础上试凑得到,开发周期长,系统响应时间慢,超调量大。本文着重研究PID控制器参数的整定与最优化问题,充分利用数字信号处理器能够快速进行数字运算、可靠性高、可编程性强、适用于高速数字信号处理的特点,开发出一种采用数字信号处理器作为控制核心的PID温度控制系统,实现了无超调,响应时间短的目的,并给出实验结果。等原因,仅使用传统算法寻找一组合适的PID参数对要求控制范围

3、宽、响应快、连续可调的本系统进行调控相当困难,下面我们使用时间控制算法结合单纯形PID参数优化法,对本系统进行控制取得了满意的效果。图1 温度控制系统的数学模型3.2 时间最优控制时间最优控制又称快速控制,即控制系统的给定值由一个状态运动到另一个状态所经历的过渡时间最短。从理论上可以证明,对于一个线性定常控制系统,有:#2 系统描述本系统的传递函数从结构上由加热器的传递函数G(S)=(s)=K1-Sse、感温元件的传递函数WT1S+1X(t)=AX(t)+Bu(t)y(t)=CX(t)(1)K2和一个饱和特性环节M(s)三部分组T2s+1式中,X(t)-状态向量,u(t)-控制向量,y(t)-

4、输出向量,A,B,C-常数矩阵。由初始状态X(t)=X0,到终端状态X(tf)=0的时间最短,即:tf成,其中K1、K2、T1、T2为测定常数。系统框图见图1,其中被控对象为H(s)=G(s)*M(s),控制器为P(s),其中参数Kp、Ki、Kd待定。J=mindt=min(tf-t0)t0Q3 PID算法3.1 PID算法由于本系统复杂性,变量间的关联性和非线性(约束条件:|ui(t)|1)要求最优控制是:|ui(t)|=1(i=1,2,)(2)在本系统中,我们采取的是式(3)所裁决的控制方案,即:*收稿日期:2006年8月16日,修回日期:2006年12月4日作者简介:郑磊,男,主要研究方

5、向为DSP技术,模式识别。2007年第2期舰船电子工程|r(n)-y(n)|=|e(n)|>A快速控制<APID控制2(3)核心控制部分。TMS320C54X是TI公司TMS320系列芯片中新一代16-bit定点DSP,适合于高速的数字信号处理。它拥有100MIPS运算速度,同时4级流水操作用于延迟分支、调用和返回指令,对于本系统而言都是显著的提高13.3 PID参数的整定与优化标准的PID控制器数学模型为:tu(t)=Kpe(t)+KiQe(S)dS+Kddt。(4)系统硬件结构如图所示.前向通道为温度采集,后向通道为功率控制,键盘和数码显示构成人机交互通道。式中:e(t)、u(

6、t)分别为PID控制器的输入与输出。其控制作用u(t)由误差e(t)的比例、积分、微分三项之和给出。采用差分法对式(4)式进行处理后得出离散化后PID输出算式:ui=KpKdEei+(ei-ei-1)+u0ei+Ti=0KiK(5)图3 系统硬件组成框图4.2 测量电路部分一般市场上多是采用热敏电阻Pt100,可满足40bC至90bC测量范围,可以直接与水接触测温。但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,并且需要用到十分复杂的算法,一定程度上不但增加了软件实现的难度。而且使用运放等模拟器件时需要考虑和数字电路的接口。本系统使用数字温度计DS18B20,它是产的一线式数字温度传感器,该芯片可以直接将

7、现场温度以/一线总线0的数字方式传输给数字处理芯片TMS320C549,便于TMS320C549的处理及控制。使用DS18B20集成芯片,适合于恶劣环境的现场温度测量,同时转换速度快,转换精度高,能有效地降低成本,缩短开发周期,大大提高了系统的抗干扰性和测量的精度,简化了电路的硬件结构。DSPTMS320C549和DS18B20的连接如图4,其中DS18B20的VCC接3V,DQ通过4.7k电阻上拉接在3V的外部电源上,然后与DSP的BDX0端口相连,工作在I/O模式下,GND端直接接地。4.3 加热控制器电路加热部分使用固态继电器(SSR)控制。SSR是全固态电子元件组成,由电路的工作状态变

8、换实现/通0和/断0的开关功能,没有电接触点,具图5 SSR接口图4PID控制中的比例增益、积分增益和微分增益都是按一定的控制性能要求,整定出一组固定的参数。PID控制器参数自寻优就是一个优化Kp、K、iKd的过程,其优化原理如图2所示:图2 PID优化设计原理图对于优化问题,最重要的是选取目标函数。不同的优化指标所需要的控制是不同的,其目标函数也就不一样。例如J1=图4 温度采集电路接口图DALLAS公司生EKei考虑了系统的稳i=O定性和准确性;不仅考虑了稳定性和准确性,还考虑了系统的快速性。由于在本系统中需要考虑控制能量大、无超调等指标,所以我们选用目标函数J2=EKi=O*ie,D参数

9、的寻i采用单纯形法进行PI优。单纯形法的基本思想如下:给定Rn中一个单纯形,求出n+1个顶点上的函数值,确定最大函数值点,最小函数值点和二者之间的点,然后通过反射,扩展和压缩等方法求出一个较好的点,以取代最高点而构成一个新的单纯形,或者通过向最低点收缩而形成一个新的单纯形,以逼近或确定极小值点,即得到要求的参数值。通过算法寻优,确定出使目标函数J2最佳的误差e,也就整定了寻优参数Kp、Ki、Kd的值。4 硬件方案设计及实现4.1 主控制部分在本系统中由一片TMS320C549DSP芯片和一片EPROM构成的DSP最小系统是整个系统的备一系列郑 磊:基于DSP的PID温度控制系统总第158期的优

10、点,工作高可靠、长寿命、无动作噪声、耐振耐机械冲击、安装位置无限制、很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式,对本系统有很好的防水性能。它的输出电路是在DSP触发信号的控制下,实现通断切换。实现弱信号对强电的控制。控制信号由DSP的BDX2端口输出,经过达林顿管ULN2003驱动SSR,电路接口图如图5:5 软件实现系统的软件设计主要由主程序、显示子程序、DS18B20驱动子程序等构成。主程序在DSP上电时运行,职能是进行系统的初始化工作:接收开关指令;调用显示和温度采集子程序等,控制子程序主要是PID算法实现。下图分别是主程序和驱动子程序的流程图。图6主程序流程图图7 控制子程序流程图分钟,超

11、调量为7e。进行PID控制参数的最优化计算,选取的初值Kp=11.0、Ki=0、Kd=0.05,寻优过程耗时23s,得到的PID参数为Kp=14.3,Ki=0.3,Kd=0.093,同样的实验条件,基于单片机AT89S52的系统,需要时间7.0分钟,超调量为2e,而基于DSP芯片TMS320C549的系统,加热时间为6.5分钟,超调量为0.2e,在本系统中,可近似为零。6 实验结果与结论对于上述系统,未经PID优化算法之前,在室温30e的环境里,将初始温度为22e的20L水,在敞口玻璃容器内,用8KW的加热器加热到55e,基于DSP芯片TMS320C549的系统,需要时间9.4图8 基于DSP

12、未经PID优化算法的水温曲线图9 基于单片机PID优化后的水温曲线图10 基于DSP的PID优化后的水温曲线参考文献图8与图10对比可以看出,经过PID参数优化后,系统的动态性能大大改善,超调量消失了,响应变快。图9与图10对比可以看出基于DSP的系统的响应时间优越于基于单片机的控制系统。7 结束语实验表明:基于DSP的PID温度控制系统,优越于基于单片机AT89S52的控制系统。系统动态性能有了相当大的改善,响应时间缩短,超调量消失,具有很好的精确度和稳定性,DSP的高速运算能力从硬件上保证了PID控制策略的可靠性、精度和实时性,潜在的计算能力还可以实现控制的人机界面等功能。1张雄伟,陈亮,

13、徐光辉.DSP芯片的原理与开发应用M.北京:电子工业出版社,2005,102张磊.基于单纯形法的PID控制器的最优设计J.2004,(3)3田玉平,蒋珉,李世华.自动控制原理M.北京:电子工业出版社,2002,84周杏鹏,仇国富,王寿荣等。现代检测技术M.北京:高等教育出版社,2004,75谭经纬,司群,臧英新,陶友传。比例先行数字PID控制器的仿真J.舰船电子工程,2005,(5)6过润秋,任晓强。基于DSP的加速度计温度控制系统的硬件设计J.弹箭与制导学报,2006,(1)7胡林艳,胡志成,唐小萍。基于DSP的PWM温度控制系统J.电工技术,2004,(11)ShipElectronicE

14、ngineering oflocalequipments,andthencalculatestheparametersofpowerqualityusingDSP,finallytheresultscalculatedwillbesentthroughEthernetandsavedinmemorizer.Keywords digitalsignalprocessing,measurementanddetectior,synchronousdatasamnling(Page:186)Index(Vo.l27No.2)AppliedforFourierTransformonTimeDomainR

15、CSMeasurementsby WuQihuaAbstract BasedonbasalprincipleofRCSandFouriertransform,thepaperintroducestmiedomainRCSmeas-urementsofshipusingfastfouriertransform,andanaly-sestheadvantageoftmiedomainmeasurementsandtheapplicationofFFTintmiedomainmeasurements.Asaresult,usingthetechniqueoffouriertransformintmi

16、edomainRCSmeasurementsofthetargetcangreatlymi-provemeasurementsprecision.Keywords radarcrosssection(RCS),tmiedomainRCSmeasurements,fouriertransform(FFT)(Page:198)DSPBasedPIDTemperatureControlSystemby ZhengLeiAbstract Temperaturecontrolsystemhasbeenwidelyappliedinscienceexpermient,industryproduction,

17、commonlifeandsoon.Howeverusuallytemperaturecontrolsystemhaslargeovershootandadverselylongresponsetmie.SointhispaperchoosesTMS320C549toapplyPIDintoonetemperaturecontrolsystem.Thissys-temisbasedonDSPandmakesPIDasitscore.Whats'more,wedevelopedPIDalgorithmbytmie-optmiizingandparameter-optmiizing.Exp

18、ermientvalidated,thissystemhasmuchshorterresponsetmieandnoover-shoot.Keywords PIDcontrolalgorithms,DSP,tmieoptmi-ization,optmiizeparameters(Page:188)ControlTechnologyandMeasuresofShipElec-tromagneticCompatibilityby BiJimingAbstract Thispaperanalysestheharmandinfluenceofelectronmageticinterferencewhi

19、chbringstotheships,andbasedonthecasestudyoftheevent"Sheffield",discussesthecontroltechnologyandmeasuresofshipselectromagneticcompatibilitywithemphasis.Keywords electromagneticcompatibility,controltech-nology,measures(Page:201)Three-DimensionalTestTechnologyforLowFrequencyMagneticFieldinTim

20、eonHMC1053by WuHongbinAbstract Theresearchonmagneticfieldmeasurementintmieisfocusonsinglefrequencymagneticfieldinthedomesticcountry.Thereisfewreportaboutmeasure-mentofmagneticfieldonbroadbandthree-dmiension-alintmie.Thispaperdesignsamagneticfieldmeasure-mentapparatusonHMC1053whichisappliedtothetesto

21、flowfrequencymagneticfield.Theapparatuscand-irectdisplaythree-dmiensionalwaveofspacemagneticfieldintmie.Thedesignoftheset/resetcircuitforthethree-dmiensionalsensormiprovesthereliabilityandtheaccuracyoftheachievement.Keywords lowfrequencymagneticfield,broadband,three-dmiensionaltestintmie,set/reset(P

22、age:191)DesignandImplementationofVehicleRuggedizedLCDby GanYuanmingAbstract Thisarticleintroducesthedesignphilosophyandthemiplementationapproachesinseveralaspects,ncliudinghightemperatureoperation,shockresistancetechnique,antireflectionandantidazzletechnique,her-meticsealingtechniqueandelectromagnet

23、iccompatibil-ity,bywhichwecandesignakindofruggedizedLCDthatcanmeettheoperatingrequirementsoftheportableequipmentinthevehicleenvironmentwithoutaircond-itioner.Keywords liquidcrystaldisplay(LCD),reinforced,EMC(Page:204)PredictingandAnalyzingtheIsolationbetweenHFAntennasonNavyShipby WangPengAbstract Th

24、reemethodsincludingsmiplificationformu-lamethod,scalebrassmodelmethodandnumericalmethodareintroducedforpredictingtheisolationbe-tweenHFantennasonnavyship.Thetheoriesofthosethreemethodsarediscussed.Thentwosetsofisola-tionsbetweenantennasarecalculatedthroughthosemethods.Atlast,theadvantageanddisadvantageofthosemethodsandthereasonforthedifferenceofthecalculatedresultsar