基于增量式PID控制的數(shù)控恒流源

摘要：數(shù)控恒流源在計(jì)量、半導(dǎo)體、傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，針對目前市場上大部分恒流源產(chǎn)品精度和智能化水平偏低等問題，提出了一種增量式PID控制的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)通過單片機(jī)對恒流源模塊的輸出進(jìn)行采樣，采用增量式P1D控制算法進(jìn)行數(shù)值處理。并通過Matlab仿真與傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其具有分辨率高、紋波小、高精度的特性。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；恒流源模塊；場效應(yīng)管；增量式PID控制

0 引言
    隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，恒流源的研究已經(jīng)入嶄新的一個(gè)階段。在一些電真空器件中，如示波器，功率發(fā)射管等由于通電瞬間的電流非常大，所以對穩(wěn)定其工作來說，恒流源顯得非常必要。另外如各種標(biāo)準(zhǔn)燈、校驗(yàn)表、自動化儀表和半導(dǎo)體器件參數(shù)測量等，恒流源對器件的性能起著重要作用。
    恒流源的實(shí)質(zhì)是對電流進(jìn)行反饋，通過對硬件電路進(jìn)行供電，從而使電流趨于恒定。在得到電流之后形成反饋，從而建立恒流源。由于恒流源具有的特性，所以具有適合阻性、感性、容性負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)。理想的恒流源不會因負(fù)載的輸出電壓、環(huán)境溫度的變化而變化，并因其內(nèi)阻無限大，所以可使其電流全部輸出。

1 恒流源實(shí)現(xiàn)原理
    數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出的值加到運(yùn)放的LM358正輸入端，輸出端電位加到場效應(yīng)管的柵極上，根據(jù)場效應(yīng)管的特性，可使輸出電流信號放大若干倍，具體數(shù)值根據(jù)所選場效應(yīng)管與外部電路而定。通過分析計(jì)算出外部電路的參數(shù)，使場效應(yīng)管工作在放大區(qū)，由于此時(shí)漏源極電流僅決定于柵源極電壓，所以當(dāng)改變柵源極電壓時(shí)，源極的電流也隨著變化。為排除外部干擾信號的影響，源極電位加往U6-B運(yùn)放器的正輸入端以便濾波。經(jīng)濾波所產(chǎn)生的信號加入到U6-A的負(fù)輸入端，使其經(jīng)過兩端的壓差放大之后控制場效應(yīng)管的柵源極電壓。當(dāng)場效應(yīng)管的漏極電流變大時(shí)，源極的電流同樣增大，U6-A的反相端電位也變大，這樣U6-A兩端輸入之差變小，所以場效應(yīng)管的柵極電位也變小，漏極電流隨之變小，從而達(dá)到恒流的效果。當(dāng)場效應(yīng)管的漏極電流變小時(shí)，源極的電流變小，U6-A的反相端電位變小，這樣U6-A兩端輸入之差變大，所以場效應(yīng)管的柵極上的電位變大，從而也達(dá)到恒流的效果。恒流源模塊如圖1所示。

2 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的恒流源主要分下面幾個(gè)模塊：單片機(jī)控制系統(tǒng)、A／D和D／A轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、恒流源模塊、負(fù)載及顯示模塊。通過對按鍵的操作實(shí)現(xiàn)手動輸入，通過D／A轉(zhuǎn)換輸入至恒流源模塊，再通過A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)值送入到單片機(jī)內(nèi)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的控制算法
    在恒流源的設(shè)計(jì)中，采用了增量式PID控制，由最為常見的傳統(tǒng)式PID控制，比例、積分、微分控制推導(dǎo)而來。傳統(tǒng)PID控制回路如圖3所示。

    PID調(diào)節(jié)控制器的輸出／輸入關(guān)系的表達(dá)式如下：
   
    式中：uT為輸出信號，e(t)為輸入偏差信號，tD為微分時(shí)間，tI為積分時(shí)間。在該系統(tǒng)中，單片機(jī)對恒流源模塊輸出進(jìn)行采樣，得出量化數(shù)值。所以需將式(1)離散化以求得所需結(jié)果：
   
    式中：T為采樣周期；e(n)為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第n-1次的采樣偏差值；u(n)為第n次采樣輸出值。為使系統(tǒng)具有足夠高的精度，必須將采樣周期設(shè)定的足夠小。由式(2)可以看出，如果要得出第n次輸出值，需要處理的數(shù)據(jù)非常龐大，不僅需本次與前一次的偏差信號，而且需要從第一次到第n次的采樣偏差值，再將其累加求和。在這一步驟當(dāng)中，對微控制器所需的內(nèi)存會有一定要求，并且其計(jì)算量繁冗。因此，對其進(jìn)行化簡，由遞推原理求得第n-1次輸出值，如下：
   
    由式(4)可知，如果要得出第n次的輸出值，只需求得第n-1次的采樣輸出值，第n，n-1，n-2次的偏差值，整個(gè)過程就簡單清晰的多。在該系統(tǒng)中，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換所得到的參數(shù)就是PID的被控對象。
    在整個(gè)系統(tǒng)中，通過采用PID控制算法，不僅可以即時(shí)的反應(yīng)出控制系統(tǒng)的偏差信號，減少偏差，而且通過積分控制作用之后，可以消除靜差，使系統(tǒng)的精度大幅度提高。另外，在微分控制當(dāng)中，偏差信號的變化趨勢也可以讀出。通過反饋?zhàn)饔茫蓪π盘栠M(jìn)行修正，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。并且可避免因處理器的任何故障而引起的輸出信號的大幅度變化。
    為了證明增量式PID控制相對于傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)越性，本文采用Matlab分別對增量式PID算法和傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行仿真比較。
    取KP=10，tD=3，tI=0．1，采樣時(shí)間Ts=0．001。
給出一個(gè)疊加的階躍響應(yīng)模擬電流值的調(diào)節(jié)信號輸入，分別在1，2．3，3．5，4處將系統(tǒng)輸入(即：設(shè)定電流值)從0～1，1～1．8，1．8～2，2～2．9進(jìn)行變化，仿真5 s后觀察不同控制算法下的響應(yīng)情況，如圖4所示。

    由圖4可知，在控制器參數(shù)相同的情況下增量式的PID控制算法具有其響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制。

4 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
4．1 軟件設(shè)計(jì)
    首先完成系統(tǒng)初始化，給系統(tǒng)變量賦初值，然后進(jìn)行按鍵掃描，獲取鍵值，判斷設(shè)定鍵，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的功能子程序處理。該系統(tǒng)是采用外部中斷0來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掃描，使系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值設(shè)置。通過外部中斷1來實(shí)現(xiàn)數(shù)值設(shè)置值的LED顯示。其中LED顯示時(shí)，每一位顯示的間間隔為2 ms。在進(jìn)行數(shù)值采樣的時(shí)，為了有足夠的精度，該系統(tǒng)所采用的采樣時(shí)間間隔為1 ms，這里也可以根據(jù)工作的需要進(jìn)行自行設(shè)定。主程序流程圖如圖5所示。

    定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的整個(gè)過程。當(dāng)中涉及到參數(shù)的設(shè)定，即校準(zhǔn)過程，并且需進(jìn)行PID控制算法的實(shí)現(xiàn)，所以對數(shù)字處理這一塊會稍微繁瑣一些。其流程圖如圖6所示。
4．2 硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測試
    給出本系統(tǒng)幾個(gè)主要電路圖如圖7～圖9所示。

    該系統(tǒng)微控制器是采用高性價(jià)比AT89S52單片機(jī)。D／A轉(zhuǎn)換芯片采用的是10位DAC芯片，A／D轉(zhuǎn)換芯片是采用的美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行ADC換器芯片。為了能夠在實(shí)際中驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能采用萬用板連接系統(tǒng)各種硬件，經(jīng)過電路的搭建和程序的燒寫得到如圖10所示的系統(tǒng)。

    在搭建并調(diào)試好系統(tǒng)后，下一步工作就是進(jìn)行數(shù)值測定，測試系統(tǒng)各項(xiàng)性能。數(shù)值測定結(jié)果如下：
    設(shè)定電流的300 mA，測得步進(jìn)電流數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

    取負(fù)載電阻為10 Ω，紋波電流=紋波電壓／負(fù)載電阻，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

5 結(jié)語
    對該恒流源模塊的測量結(jié)果表明，其步進(jìn)分辨率高，紋波小，并且可以手動輸入電流20～2 000 mA之間的數(shù)據(jù)?？梢詾楦黜?xiàng)工程應(yīng)用提供高穩(wěn)定度的恒流源。該系統(tǒng)還可采用其他更為先進(jìn)的控制算法，以求得更好的效果。