基于MSP430單片機(jī)的便攜式PID參數(shù)整定儀的實(shí)現(xiàn)

摘要：PID控制器是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的控制器，實(shí)際工程中PID參數(shù)整定問題一直是困擾技術(shù)人員的問題之一，也一直是人們研究的熱點(diǎn)。本文應(yīng)用RGA失調(diào)因子法對(duì)基于MSP430單片機(jī)的便攜式PID參數(shù)整定儀進(jìn)行整定。并對(duì)便攜式PID參數(shù)整定儀進(jìn)行了功能分析，以MSP430 F169為核心控制單元完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：PID控制；參數(shù)整定；MSP430單片機(jī)

0 引言
    PID控制是最常的控制策略，在工業(yè)過程控制中90％以上的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。PID控制之所以被廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)樗惴ê唵危趯?shí)際中容易被理解和實(shí)現(xiàn)，而且許多高級(jí)控制都以PID控制為基礎(chǔ)。但是由于環(huán)境的變化，使被控對(duì)象具有時(shí)變性，參數(shù)經(jīng)過一段時(shí)間以后會(huì)
出現(xiàn)性能欠佳、適應(yīng)性變差、控制效果下降等情況。因此，尋求參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜工況及高性能指標(biāo)的控制要求，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制的重要手段，具有重大的工程實(shí)踐意義。

1 自整定過程原理
    本文主要研究了一種手持式的PID參數(shù)整定儀器，此整定儀具有整定單變量和雙變量的雙重功能，控制系統(tǒng)主要采用低能耗的MSP430微控制器，軟件部分采用的軟件開發(fā)平臺(tái)是IAR MSP430 V3．42A。
    PID參數(shù)整定儀的實(shí)現(xiàn)不僅能夠簡化過程控制工程師的工作量，而且能夠改善整個(gè)PID控制領(lǐng)域的控制性能，在能源日益緊張的今天，對(duì)于節(jié)約能源起到非常重大的作用。自整定過程如圖1所示。其中過程1與過程2是兩個(gè)具有耦合的過程。

    具體過程為：整定儀提取過程的輸入輸出信號(hào)，然后通過過程模型計(jì)算部分計(jì)算出過程模型，將過程模型參數(shù)送給整定儀的算法整定部分，根據(jù)過程模型參數(shù)如果判斷系統(tǒng)為單變量系統(tǒng)則采用幅值相位裕度法對(duì)其進(jìn)行整定，如果為雙變量則采用RGA失調(diào)因子法對(duì)其進(jìn)行整定，最后將整定的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

2 PID參數(shù)整定儀的功能分析
    本文研制的便攜式PID參數(shù)整定儀主要具備如下功能：
    (1)模擬信號(hào)輸入。能夠采樣接入標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)，方便信號(hào)的處理。今后在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行擴(kuò)展，從而使其能夠接收更多的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
    (2)模型辨識(shí)部分。設(shè)系統(tǒng)模型為二階加滯后模型，采用基于頻域的模型便是算法辨識(shí)出系統(tǒng)模型。
    (3)PID參數(shù)的計(jì)算。根據(jù)辨識(shí)的模型，運(yùn)用幅值相位裕度法與RGA失調(diào)因子法完成。
    對(duì)PID控制器的自整定算法；其中幅值相位裕度法整定公式為：
   
    其中T為時(shí)間常數(shù)，Am為幅值裕度，φm為相位裕度。通常情況下一般取Am≥2，φm=30～60°。
    RGA失調(diào)因子法整定公式為：
   
    (4)人機(jī)交互接口。能通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、修改，并且能夠?qū)?shí)時(shí)信息以及整定的結(jié)果等通過LCD顯示。
    這些功能組合構(gòu)成了便攜式的PID參數(shù)自整定器。

3 PID參數(shù)整定儀的硬件電路設(shè)計(jì)
    多變量便攜式PID參數(shù)整定儀由于其可以隨身攜帶，所以我們采用3．3V電池對(duì)其供電。這就要求裝置盡量保持低功耗以延長電池壽命，MSP430單片機(jī)正是由于其低功耗而被廣泛采用，因此選擇MSP430F169作為PID參數(shù)整定儀的控制器。
    MSP430F169具體特性如下：
    (1)低工作電壓范圍：1．8～3．6V；
    (2)超低功耗，五種省電模式；
    (3)從待機(jī)模式喚醒6μs；
    (4)3通道DMA，12-Bit A／D轉(zhuǎn)換器，雙12-Bit D／A同步轉(zhuǎn)換器；
    (5)串行通訊接口(USART0)，功能如異步UART或同步SPI或I2C；
    (6)串行通訊接口(USART1)，功能如異步UART或同步SPI；
    (7)具有可編程電平檢測的供電電壓管理器／監(jiān)控器；
    (8)串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的安全熔絲代碼保護(hù)；
    (9)MSP430F169．60KB+256B Flash Memory，2KBRAM；
    本整定儀適用于任何過程而不用管其暫態(tài)類型。根據(jù)PID參數(shù)整定原理和功能，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，圖3給出了4～20mA電流輸入的AD調(diào)理電路圖。

4 PID參數(shù)整定儀的軟件設(shè)計(jì)
4．1 PID參數(shù)整定儀主要程序模塊
    在工程實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要完成硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)與測試，還必須根據(jù)需要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，所以在設(shè)計(jì)出符合要求的硬件電路的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。本控制器軟件部分主要包括以下程序模塊。
    (1)系統(tǒng)的初始程序模塊。用來進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括設(shè)定初始狀態(tài)值和參數(shù)，確定A／D初始工作參數(shù)，檢測主電路是否上電和是否允許系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行等等。
    (2)鍵盤掃描程序模塊。讀取鍵盤輸入值，包括PID初始設(shè)定值、系統(tǒng)設(shè)定值及采樣時(shí)間等等。
    (3)采樣程序模塊。用來對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣過程要進(jìn)行濾波，減少噪聲干擾對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響，最后檢測采集的數(shù)據(jù)是否包含了對(duì)象足夠多的信息，清除不合格的采樣數(shù)據(jù)，保證所采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
    (4)模型辨識(shí)模塊。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)采用相關(guān)系數(shù)辨識(shí)法辨識(shí)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，使辨識(shí)的模型與原模型有較好的線性相關(guān)度。
    (5)參數(shù)整定模塊。根據(jù)辨識(shí)出的系統(tǒng)模型采用相關(guān)的整定算法計(jì)算出新的PID參數(shù)值。
    (6)LCD模塊。將相關(guān)的數(shù)據(jù)，像設(shè)定值、整定模式以及PID的參數(shù)值等，顯示在液晶屏上。
    整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    上面模塊還要進(jìn)行詳細(xì)劃分，每個(gè)模塊之間的耦合很少，這樣就可以獨(dú)立編程、調(diào)試，提高了軟件開發(fā)的模塊性。
4．2 PID參數(shù)整定儀的總體工作流程
    圖5是自整定控制器的工作流程圖，用戶輸入設(shè)定值，然后對(duì)過程的輸入量u和輸出量y進(jìn)行采樣。對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算出最佳的PID參數(shù)整定值。整定具體過程如下：
    (1)通過控制面板設(shè)定采樣時(shí)間及設(shè)定值以進(jìn)行采樣。
    (2)將采集的數(shù)據(jù)處理后得到辨識(shí)所需要的10～20個(gè)點(diǎn)。
    (3)運(yùn)用基于頻域的模型辨識(shí)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，得到系統(tǒng)的模型。
    (4)根據(jù)模型采用相應(yīng)的辨識(shí)算法計(jì)算PID參數(shù)值。
    (5)在LCD上顯示新的PID參數(shù)。

5 小結(jié)
    介紹了本參數(shù)整定儀的各功能模塊，并且進(jìn)行了硬件及軟件設(shè)計(jì)。此整定儀集單變量和雙變量整定功能于一身，適合于任何使用PID控制器的場合，不過只有在過程獲得平衡狀態(tài)時(shí)辨識(shí)方法才可使用。此整定儀整定出的PID參數(shù)在LCD上顯示。工作人員只需將整定出的新參數(shù)在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置。此過程簡單實(shí)用，方便工作人員操作，并且由于設(shè)計(jì)小巧，便于工作人員隨身攜帶。