【正文】 整定方法它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行且方法簡(jiǎn)單易于掌握在工程實(shí)際中被廣泛采用本設(shè)計(jì)采用 PID歸一整定法把對(duì)控制臺(tái)三個(gè)參數(shù) KcTiTd轉(zhuǎn)換為一個(gè)參數(shù) 從而使問(wèn)題明顯簡(jiǎn)化以達(dá)到控制器的特性 與被控過(guò)程的特性相匹配滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo) 采樣周期選擇的原則 1 根據(jù)香農(nóng)采樣定理系統(tǒng)采樣頻率的下限為 fs 2f 此時(shí)系統(tǒng)可真實(shí)地恢復(fù)到原來(lái)的連續(xù)信號(hào) 2 從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來(lái)看有時(shí)需要輸出信號(hào)保持一定的寬度采樣周期必須大于這一時(shí)間 3 從控制系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來(lái)看要求采樣周期短些 4 從微機(jī)的工作量和每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算來(lái)看一般要求采樣周期大些 5 從計(jì)算機(jī)的精度看過(guò)短的采樣周期是不合適的 6 當(dāng)系統(tǒng)滯后占主導(dǎo)地位時(shí)應(yīng)使滯后時(shí)間為采樣周期的整數(shù)倍 下表 31 列出了幾種常見的被測(cè)參數(shù)的 采樣周期 T 的經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考實(shí)際上生產(chǎn)過(guò)程千差萬(wàn)別經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不一定就合適可用試探法逐步調(diào)試確定 表 31 采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 [10] 被測(cè)參數(shù) 采用周期 Ts 備注 流量 1～～～～～ KpTiTd 對(duì)系統(tǒng)的性能影響如表 33 所示 表 33 KpTi 和 Td 對(duì)系統(tǒng)的影響 影響 Kp Ti Td 穩(wěn)態(tài)性能 可以減少靜差但不能消除 消除靜差但不能太大 配合比例控制可以減少靜差 動(dòng)態(tài)性能 加快系統(tǒng)速度但會(huì)引起震蕩 太小會(huì)不穩(wěn)定太大會(huì)影響性能 太大和太小都會(huì)引起超調(diào)量大過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng) 34 PID 計(jì)算程序 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的基本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為 35 式中為調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)且 36 其中為給定值為被控變量 為調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào) 為比例系數(shù) 為積分時(shí)間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù) 計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)若采樣周期為 T第 n次采樣的輸入誤差為且輸出為PID 算法用的微分由差分代替積分由代替于是得到 37 寫成遞推形式為 △ 38 其中 39 310 311 顯然 PID 計(jì)算△只需要保留現(xiàn)時(shí)刻以及以前的兩個(gè)偏差量和初始化程序初值通過(guò)采樣并根據(jù) 參數(shù)以及和計(jì)算△ 根據(jù)輸出控制增量△可求出本次控制輸出為 △ 312 由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象所以式中的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)工程上已經(jīng)積累了不少行之的參數(shù)整定方法本設(shè)計(jì)采用 ZieglerNichols 提出的 PID 歸一調(diào)整法調(diào)整參數(shù)主要是為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目常常人為假定約束條件以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)令 313 314 315 式中稱為臨界周期在單純比例作用下比例增益由小到大是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益這時(shí)的工作周期為臨界周期則可以得到 △ 316 式中 02 125[8] 317 從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個(gè)可設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)整子程序通過(guò)鍵盤輸入改變值改變運(yùn)行參數(shù)使系統(tǒng)滿足要求 下面對(duì) PID 運(yùn)算加以說(shuō)明 所有的數(shù)都變成定點(diǎn)純小數(shù)進(jìn)行處理 算式中的各項(xiàng)有正有負(fù)以最高位作為符號(hào)位最高位為 0表示為正數(shù)為 1表示 負(fù)數(shù)正負(fù)數(shù)都是補(bǔ)碼表示最后的計(jì)算以原碼輸出 雙精度運(yùn)算為了保證運(yùn)算精度把單字節(jié) 8 位輸入采樣值和給定值都變成雙字節(jié) 16 位進(jìn)行計(jì)算最后將運(yùn)算結(jié)果取成高 8 位有效值輸出 輸出控制量的限幅處理為了便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的通斷處理 PID 的輸出現(xiàn)在在 0～都是沒(méi)有意義的因在算法上對(duì)進(jìn)行限幅即 318 PID 的計(jì)算公式采用位置式算法計(jì)算公式為 319 PID 計(jì)算的程序流程圖圖 32 所指示而參數(shù)內(nèi)存分配表如表 34 所列 表 34 參數(shù)內(nèi)存分配表 存儲(chǔ)單元 符號(hào) 說(shuō)明 存儲(chǔ)單元 符號(hào) 說(shuō)明 3FH 高 8 位 38H 低 8 位 30H 低 8 位 39H 高 8 位 31H 給定值高 8位 3AH 低 8 位 32H 給定值低 8 位 3BH 高 8 位 33H 高8 位 3CH 低 8 位 34H 低 8 位 3DH 高 8 位 35H 高 8 位 32EH 低 8 位 36H 低 8 位 3FH 高 8 位 37H 高 8 位 40H 低 8 位 圖 32 PID 計(jì)算程序的流程圖 參照流程圖 32 編寫程序程序如下 名稱 float PIDprocess1 功能 PID adjust 說(shuō)明 調(diào)用 輸入 float xdata Yn float xdata Rn 返回值 deltaPn float PIDprocess1 int data E_0 float data deltaPndeltaPideltaPpdeltaPdPsumCopy E_0 SetTemperature1CurrentTemperature1 if abs E_0 E deltaPp float Kp E_0E_11 deltaPd float Kd E_02E_11E_21 if deltaPd dPd deltaPd 0 deltaPn deltaPpdeltaPd else if abs E_0 E0 deltaPi float KiE_0 Eabs E_0 EE0 else 小誤差時(shí)的處理 deltaPi float KiE_0 if fabs deltaPi dPimin deltaPi 0 deltaPp float Kp E_0E_11 deltaPd float Kd E_02E_11E_21 if deltaPd dPd deltaPd 0 deltaPn deltaPpdeltaPideltaPd if fabs deltaPn dP if deltaPn 0 deltaPn dP else deltaPn dP Psum1 deltaPn PsumCopy Psum1 if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin E_21 E_11 E_11 E_0 return PsumCopy 名稱 float PIDprocess2 功能 PID adjust 說(shuō)明 調(diào)用 輸入 float xdata Yn float xdata Rn 返回值 Psum2 float PIDprocess2 int data E_0 float data deltaPndeltaPiPsumCopy E_0 SetTemperature2CurrentTemperature2 if abs E_0 E deltaPn float Kp E_0E_12 float Kd E_02E_12E_22 else if abs E_0 E0 deltaPi float KiE_0 Eabs E_0 EE0 else 小誤差時(shí)的處理 deltaPi float KiE_0 deltaPn float Kp E_0E_12 deltaPi float Kd E_02E_12E_22 if fabs deltaPn dP if deltaPn 0 deltaPn dP else deltaPn dP Psum2 deltaPn PsumCopy Psum2 if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin E_22 E_12 E_12 E_0 return PsumCopy 35 系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計(jì) 它部件的軟件設(shè)計(jì)方案 1 每個(gè)模塊的程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單任務(wù)明確易于編寫調(diào)試和修改 2 程序可讀行好對(duì)程序的修改可局部進(jìn)行其它部分可以保持不變便于功能擴(kuò)充 3 對(duì)于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫(kù)便于多個(gè)模塊調(diào)用 件設(shè)計(jì)框 圖 如圖 33 所示 圖 32 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求首先要確定軟件設(shè)計(jì)方案即確定該軟件應(yīng)該完成那些功能其次是規(guī)劃為了完成這些功能需要分成多少個(gè)功能模塊以及每一個(gè)程序模塊的具體任務(wù)是什嫫一般劃分模塊應(yīng)遵循下述原則 1 每個(gè)模塊應(yīng)具有獨(dú)立的功能能產(chǎn)生一個(gè)明確的結(jié)果 2 模塊之間的控制參數(shù)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)參數(shù)應(yīng)盡量少控制參數(shù)是指模塊進(jìn)入和退出的條件及方式數(shù)據(jù)參數(shù)是指模塊間的信息交換方式交換量的多少及交換的頻繁程度 3 模塊長(zhǎng)度要適中模