基于S3C44BOX芯片的單回路PlD控制器參數(shù)整定

摘要：針對(duì)目前單回路PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，控制效果不理想的情況，提出以ARM7S3C4480X 32位嵌入式芯片為核心設(shè)計(jì)的單回路控制器的設(shè)計(jì)方法，該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。在設(shè)計(jì)過程中選擇了更便捷的C語言平臺(tái)，很大程度地縮短設(shè)計(jì)周期。采用了數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)控制目的，通過PID參數(shù)調(diào)試，超調(diào)量減小，調(diào)整時(shí)間縮短，過渡過程平穩(wěn)，控制效果良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于S3C44BOX芯片的單回路PID控制器很好地滿足控制性能指標(biāo)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：芯片；嵌入式系統(tǒng)；單回路控制器；控制算法；傳遞函數(shù)

    在現(xiàn)代工業(yè)控制應(yīng)用中，單回路控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單、最基本、也是使用最廣泛的一種形式。對(duì)于控制系統(tǒng)來說，在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)將從原來的穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷一個(gè)過程進(jìn)入另一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的好壞在穩(wěn)態(tài)下是難以判別的，只有在過渡過程中才充分反映出來。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，在經(jīng)歷擾動(dòng)后，一般應(yīng)平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。這就需要對(duì)調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地設(shè)定才能達(dá)到理想的效果。采用傳統(tǒng)的以8位芯片為核心的控制器已在很多領(lǐng)域的應(yīng)用上受到了限制，新一代的32位嵌入式芯片正在被越來越廣泛的應(yīng)用，ARM7TDMI32位嵌入式芯片正是其中的一種。在其基礎(chǔ)之上配合高性能的軟件體系，就有可能得到穩(wěn)定性更強(qiáng)、適應(yīng)性更強(qiáng)、功能更豐富的控制器。本控制器正是以S3C44BOX芯片為核心設(shè)計(jì)的單回路控制器。

1 ARM7TDMI32體系結(jié)構(gòu)
    目前比較有影響力的32位嵌入式處理器有6～7種，而ARM處理器具有高性能、低功耗和低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能、低功耗嵌入式微處理器的代名詞，是目前32位、64位嵌入式處理器中應(yīng)用最廣泛的一個(gè)系列。當(dāng)前，ARM處理器得到了眾多半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，全球已有100多家IT公司在采用ARM技術(shù)。ARM公司既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，而是設(shè)計(jì)出高效的IP內(nèi)核，授權(quán)于各半導(dǎo)體公司使用，半導(dǎo)體公司在ARM技術(shù)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)自己公司的產(chǎn)品定位，添加自己的設(shè)計(jì)并推出芯片產(chǎn)品，最后由OEM客戶采用這些芯片來構(gòu)建基于ARM技術(shù)的最終應(yīng)用產(chǎn)品。經(jīng)過10多年的發(fā)展，ARM公司已是業(yè)界領(lǐng)先的IP供應(yīng)商。優(yōu)良的性能和準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位極大地豐富了ARM資源，加速了基于ARM核的面向各種應(yīng)用系統(tǒng)芯片的開發(fā)應(yīng)用，使得ARM獲得了更廣泛的應(yīng)用，確立了ARM技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)先地位。ARM在高性能嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，已在32位嵌入式應(yīng)用中穩(wěn)居世界第一。
    由于網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷程后，又進(jìn)入了一個(gè)新的歷史發(fā)展階段，從普遍的低端應(yīng)用到高、低端并行發(fā)展，并且不斷提升低端應(yīng)用技術(shù)水平。原來由于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化對(duì)8位機(jī)的需求，形成了32位機(jī)的發(fā)展遲遲不前的局面。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)、通信和多媒體信息家電業(yè)興起后，出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用的市場(chǎng)；而在嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用中，嵌入式微處理器以其明顯的性能優(yōu)勢(shì)迅速形成32位機(jī)高端應(yīng)用的主流地位。網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電時(shí)代的到來，無疑為32位嵌入式系統(tǒng)高端應(yīng)用提供了空前巨大的發(fā)展空間；同時(shí)，也為力不從心的8位機(jī)向高端發(fā)展起到了接力作用?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，要求在這些8位機(jī)的應(yīng)用中，提升海量數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)8位機(jī)無法滿足這些提升要求時(shí)，便會(huì)轉(zhuǎn)而求助32位機(jī)的解決辦法。因此，32位機(jī)的市場(chǎng)需求發(fā)展由2方面所致：1)是高端新興領(lǐng)域(網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體和信息家電)的拓展；2)是低端控制領(lǐng)域應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理能力的提升要求。后PC時(shí)代的到來以及32位嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用，吸引了大量計(jì)算機(jī)專業(yè)人士的介入；加之嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用模式的巨大變化，即使嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入到一個(gè)基于軟、硬件平臺(tái)、集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時(shí)代。
    ARM7S3C44BOX處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應(yīng)用很廣的32位高性能嵌入式RISC處理器。它使用3段流水線以提高處理器指令的流動(dòng)速度。允許幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并允許處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)連續(xù)操作。它是馮．諾依曼體系結(jié)構(gòu)，使用單一32位數(shù)據(jù)總線傳送指令和數(shù)據(jù)。只有加載、存儲(chǔ)和交換指令可以訪問存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。處理器存儲(chǔ)器接口被設(shè)計(jì)成在使用存儲(chǔ)器最少的情況下實(shí)現(xiàn)其潛能。關(guān)鍵的控制信號(hào)是流水作業(yè)的，以允許在標(biāo)準(zhǔn)低功耗邏輯下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。這些控制信號(hào)方便了許多片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器技術(shù)支持的快速突發(fā)訪問模式的開發(fā)，方便了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)RAM提供的快速局部訪問模式的利用。同時(shí)，嵌入式ICE-RT邏輯為ARM7S3C4480X提供了集成的在片調(diào)試支持，可以使用嵌入式：ICE-RT邏輯來編程斷點(diǎn)或觀察點(diǎn)出現(xiàn)的條件。此外，ARM7S3C4480X處理器有高性能的32位ARM指令集和高代碼密度的16位THUMB指令集2個(gè)指令集。處理器部件和主要信號(hào)路徑如圖1所示。

2 單回路控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)
    單回路控制系統(tǒng)由A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、PID控制器、與外部被測(cè)對(duì)象、調(diào)節(jié)器組成單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的方框圖如圖2所示。本系統(tǒng)采用單回路的數(shù)字PID控制，主要將根據(jù)系統(tǒng)的給定值與實(shí)際值的偏差，利用ARM7S3C4480X芯片進(jìn)行PID運(yùn)算后，來實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的調(diào)整。主調(diào)節(jié)器的輸入由設(shè)定值與實(shí)際值的偏差給定，主調(diào)節(jié)的輸出控制調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)器均具有常規(guī)調(diào)節(jié)器的功能，可單獨(dú)地進(jìn)行P、I、D參數(shù)、給定值的設(shè)定。

3 單回路控制器PID控制算法
    比例積分微分控制，是過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析充分證明，這種控制規(guī)律用于多數(shù)被控對(duì)象能夠獲得較滿意的控制效果。因此，在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中廣泛地采用PID控制規(guī)律。
    PID算法的離散化對(duì)被控對(duì)象的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的研究表明，由于絕大多數(shù)系統(tǒng)中存在儲(chǔ)能部件，使系統(tǒng)對(duì)外作用有一定的慣性，這種慣性可以用時(shí)間常數(shù)來表征。另外，在能量和信息傳輸時(shí)還會(huì)因管道、長線等原因引入一些時(shí)間上的滯后。在工業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制中，總是會(huì)存在外界的干擾和系統(tǒng)中各種參數(shù)的變化，它們將會(huì)使系統(tǒng)性能變差。為了改善系統(tǒng)性能，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，除了按偏差的比例調(diào)節(jié)以外，引入偏差的積分，以克服余差，提高精度，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力：引入偏差的微分來克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此構(gòu)成的單參數(shù)PID控制回路
    e(t)=R-y(t)       (1)
    式(1)中y(t)是被控變量，R是y(t)的設(shè)定值。e(t)是調(diào)節(jié)器的輸入偏差，后面將見到的u(t)是調(diào)節(jié)器輸出的控制量，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常利用采樣方式實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的各個(gè)回路進(jìn)行巡回檢測(cè)和控制，它屬于采樣調(diào)節(jié)。
    設(shè)計(jì)中的單回路控制器采用的數(shù)字PID算法由軟件實(shí)現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測(cè)量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢(shì)講行控制。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此PID控制律的實(shí)現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和代替積分，用差商代替微分，即作如下近似變換：
   
    式(2)中，k——采樣序號(hào)，k=1，2…，T——采樣周期。
    顯然，上述離散化過程中，采樣時(shí)間必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)等，即省去T?？梢缘玫诫x散的PID表達(dá)式為：
   
    式中，k——采樣序號(hào)，k=0，1，2……；u(k)——第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)——第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI——積分系數(shù)，。
    該系統(tǒng)采用的是增量式PID控制算法，即指數(shù)字控制器輸出只是控制量的增量△u(k)，該算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。
    根據(jù)遞推原理可得


4 仿真說明
    事先給定系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)，分析這個(gè)傳遞函數(shù)，可以認(rèn)為它是由2個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成的：1)慣性環(huán)節(jié)是，2)慣性環(huán)節(jié)是。根據(jù)調(diào)節(jié)器的選型原理，在ARM7S3C44BOX芯片的處理下，在回路中采用PID調(diào)節(jié)器。對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，直到控制效果比較令人滿意。整個(gè)過程都是在SIMULINK環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。利用SIMULINK環(huán)境中的仿真軟件搭建的串級(jí)控制系統(tǒng)模型圖如圖3所示。

    該系統(tǒng)要做的仿真驗(yàn)證是：采用ARM7S3C44BOX芯片進(jìn)行PID參數(shù)整定要比采用普通的89C51單片機(jī)芯片進(jìn)行PID參數(shù)整定的效果好。在單回路控制系統(tǒng)的輸入端輸入一個(gè)階躍信號(hào)，在示波器中得到的仿真圖如圖4、5所示。

    可以明顯的看到，圖4所示的仿真曲線，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差過大，穩(wěn)定性不是很好。圖5所示的仿真曲線，過渡過程非常平穩(wěn)，超調(diào)量不大，曲線的波動(dòng)不大，穩(wěn)定性好。

5 結(jié)論
    單回路控制系統(tǒng)是最基本，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種控制系統(tǒng)。但它是生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛的一種控制系統(tǒng)。因此，這種簡(jiǎn)捷方便的參數(shù)整定方法具有一定的實(shí)用性。本文采用ARM7S3C44BOX芯片進(jìn)行單回路PID參數(shù)調(diào)試，與89C51單片機(jī)芯片相比較，體現(xiàn)出強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，過渡過程非常平穩(wěn)，在控制上達(dá)到了平穩(wěn)、迅速、準(zhǔn)確跟蹤設(shè)定值的要求，控制效果良好。