智能PID调节器系统设计
智能PID调节器系统设计
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摘要：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。本文介绍了利用PID算法实现的信号的转换，详细论述了智能PID算法的控制规则。PID控制由于其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，因此它是工业生产过程中最普遍采用的控制策略。根据被控对象的不同，对PID参数进行适当调整，即整定是PID控制中最为关键的问题。智能PID算法是在PLC中完成的。随着微处理技术的不断发展，PLC的运算速度越来越快，功能也越来越强，用PLC进行软件编程和规则判别非常容易。 关键词：智能PID 控制算法 信号转换
Abstract：Current industrial automation level has become the measure of all walks of life and modernization level is an important symbol. Meanwhile, control theory development also experienced classical control theory, modern control theory and the theory of intelligent control three stages.This paper presents a exchange of information on the base of PID algorithm. The control rule of intelligent PID algorithm is discussed in detail. PID control algorithm is simple, because of its easy to adjust, and parameters of certain control accuracy, so it is industrial production process control strategy of the most widely adopted. According to the different controlled object of PID parameters adjustment, namely the setting is the most critical PID control. Intelligent PID algorithm is finished in PLCS. With the continuous development of micro-processing technology, PLC operation speed and function with stronger and stronger also, software programming and rules PLC discriminant very easy. Keywords：Intelligent PID control algorithm exchange of information
一﹑PID控制简介及现状：
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。
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。
目前，PID控制及其控制器或智能PID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PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID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PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现PID控制功能的可编程控制器 (PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
1.1、开环控制系统：
开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
1.2、闭环控制系统：
闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。
1.3、PID控制的原理和特点：
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们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PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID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。
比例（P）控制：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。
积分（I）控制：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。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制：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。比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
1.4、PID控制器的参数整定：
PID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PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。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。二是工程整定方法，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。
PID控制器参数的整定步骤如下：(1)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PID控制器的参数。
二﹑题目说明：
在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。
在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。加入自适应的PID控制就带有了一些智能特点，像生物一样能适应外界条件的变化。还有自学习系统，就更加智能化了。
工业控制过程中常常需要实现对过程参数的检测，并根据设定值要求的范围，对过程对象进行PID调节；因此PID调节器的设计也是一个重要的环节。
三﹑功能电路设计及计算：
⑴单片机部分由于电路中要求的采样精度大于0.1mv，则进行A/D采样时的位数应不少于10位，故可采用A/D采样位数为12位的MSP430F149单片机。其电路图如下：
⑵电源电路设计： 24VDC电源电路： 15VDC和5VDC电源电路：
只需在24V电源基础上进行分压即可得到：
3.3VDC电源电路：
⑶2路模拟量输入：
模拟量的采集是本系统的关键，为了提高数据采集的精度和抗干扰性，模拟量采集模块采用差分形式。其中2路模拟量输入通过模拟多路开关进行分时切换。本系统选用高速模拟多路开关DG529，并共用一个前置电路数据送入MSP430F149单片机的A／D转化器进行转换，这种方案可以大大简化电路结构，提高效率。具体的前置电路如图2所示。该前置电路采取浮动差分形式来提高数据采集的稳定性。先将DG529切换过来的信号送到AD620进行阻抗匹配，之后采用高精度运放OP07并叠加一个1.2 V的电平到信号中间，使之形成浮动差分形式，再经过R7～R10的电阻网络衰减以及运放LM258的缓冲，送到MSP430F149单片机的A0、A1进行相差之后，进行A／D转换。二极管D1～D4可保护单片机的口线。
⑷1路模拟量输出：
将单片机输出端接入电路，分别测Uo1和Uo2,调滑动变阻器104和502，使其电压均接近于1V,并且Uo1> Uo2。
对电路信号放大部分先进行调零：测Uo的值并调节502，是输出为0.3V,
再对电路信号放大部分进行调满：使单片机输出最大接入电路, 再测Uo的值并调节104，使输出为1.5V。
如此反复对该电路进行调零和调满的操作，使其输出稳定在0.3V-1.5V之间即可。
⑸2路开关量隔离输出：
开关量输出通道的用途:将CPU输出的控制量转换为对被控对象的控制操作。在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到CPU系统中，一般需要采用通道隔离技术（光-电隔离技术）。使用光电隔离器时，要注意以下4点：①当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导通电流，使发光二极管发出的光使输出端动作。光电隔离器的发光二极管正常发光电流为毫安级.②光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在高频信号传输中要考虑其频率特性，选择通过频率比较高的光电隔离器③光电隔离器输出端的灌电流不能太大，否则可能使输出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路。④利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，否则外部干扰可能通过地线串到CPU中去，这样就失去了隔离作用。解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源，也可用DC-DC变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。
四﹑软件设计规划： 1、常规的PID控制 通常闭环控制系统由控制器、执行部件、被控对象以及反馈检测元件几部分组成。原理框图如图2所示。 在闭环控制系统中，控制器是系统的核心，其控制算法决定了系统的控制特性和控制效果。控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）（e（t）= r（t）-c（t）），将偏差e（t）的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称为PID控制器。 2、智能PID控制算法 典型的二阶系统分析 典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图3所示。在图3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……区域，误差朝绝对值减小的方向变化，此时可实施较弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……区域，误差朝绝对值增大的方向变化，此时可根据误差的大小分别实施较强的或一般的控制作用。对于典型二阶系统阶跃响应过程分析如下。 设e（k）表示离散化的当前采样时刻的误差值，e（k-1）、e（k-2）分别表示前一个和前二个采样时刻的误差值，则有： △e（k）=e（k）-e（k-1） △e（k-1）=e（k-1）-e（k-2） （4—1） （1）当|e（k）|≥emax时，说明误差的绝对值很大，此时不论误差的变化趋势如何，都应考虑控制器按最大（或最小）输出，以迅速调整误差。即： u（k）=umax 当e（k）>0时 u（k）=umin 当e（k）<0时 （4—2） （2）当e（k）·△e（k）>0时，说明误差在朝绝对值增大的方向变化， 此时如果emid≤|e（k）|?，则u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k） （4—3） 如果emin≤|e（k）|? ，则u（k）=u（k-1）+△u（k） （4—4） （3）当e（k）·△e（k）<0时，说明误差在朝绝对值减小的方向变化，此时如果emid≤|e（k）|?，则u（k）=u（k-1）+△u（k） （4—5） 如果emin≤|e（k）|?， 则u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k） （4—6）（4）当|e（k）|，则u（k）=u（k-1）? （4—7） 以上式中： umax—控制器输出最大值; umin—控制器输出最小值; u（k-1）—第（k-1）次控制器输出; △u（k）—Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki·e（k）+Kd[e（k）- 2e（k-1）+ e（k-2）]; k1—放大系数，k1>1; k2—抑制系数， emax、emid、emin为设定的误差界限，其中emax>emid>emin。 3、智能PID控制规则: 智能PID控制是在常规PID控制的基础上，根据专家及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是按区段进行不同算法的调节，它既有bang-bang控制的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。根据上述的分析，总结出相应的控制规则如下： 规则1：如果|e（k）|≥emax ，则 u（k）=umax e（k）>0时; 或 u（k）=umine（k）<0时 规则2：如果emid≤|e（k）|?，则 u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k）， e（k）·△e（k）≥0时; 或 u（k）=u（k-1）+△u（k） ，e（k）·△e（k）<0时 规则3：如果emin≤|e（k）|?，则 u（k）=u（k-1）+△u（k），e（k）·△e（k）≥0时; 或 u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k），e（k）·△e（k）<0时 规则4：如果|e（k-1）|?，则 u（k）=u（k-1） 由上述四条规则可知，智能PID算法本质上是非线性的，能较好克服常规PID的缺点。规则1、4条体现了系统的快速性与稳定性，规则2、3条体现了PID变参数调节的自适应性。 4、软件实现 智能PID算法是在PLC中完成的。随着微处理技术的不断发展，PLC的运算速度越来越快，功能也越来越强，用PLC进行软件编程和规则判别非常容易。实现文中的控制算法只要对相关的参数进行四则运算和参数比较即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各参数的大小及采样周期T的频率在调试中具体确定。智能PID算法软件框图如图4所示。
参考文献：
1. 黄舂春 杨喜军24VDC-220VDC车载开关电源的分析与实现 上海交通大学电气工程系
2. 祁峰 马皓 傅锋锋新型半桥逆变电流源控制器设计 浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州
以下资料来自网络：
1 . 智能变送器的电源的设计
2. 基于CAN总线的数据采集器的设计
3. 具有4个模拟量输入通道的抗干扰电路原理图
4. 一种实用的电压隔离电路
5. 电子电气设备的电路隔离技术
6. 信号隔离变送及两线制回路输出方式的应用
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