混合信號控制電路使用微控制器，靈活地實現(xiàn)PID算法

當過程被控制時（圖1），將過程的特性，如溫度（調(diào)節(jié)變量）與所需值或設定值進行比較。差值或錯誤信號e（t）應用于控制器，控制器使用錯誤信號產(chǎn)生控制信號u（t），該控制信號操縱過程的物理輸入（操縱變量），導致調(diào)節(jié)變量發(fā)生變化，從而穩(wěn)定地減少誤差。

常用的控制算子是比例-積分-微分（P-I-D 或 PID）控制器。它總結了從誤差得出的三個項：簡單增益或比例項;與誤差的積分成比例的項，或積分項;以及與誤差信號變化率成比例的項，或導數(shù)項。在閉環(huán)中，比例項旨在減少與其瞬時值成比例的誤差;積分項——累積誤差——慢慢地將誤差推向零（其存儲的誤差往往會使誤差超過零）;導數(shù)項使用誤差變化率來預測其未來值，加快對比例項的響應，并通過補償積分項的滯后來提高循環(huán)穩(wěn)定性。

這些術語的組合可以提供非常準確和穩(wěn)定的控制。但控制項必須單獨調(diào)整或“調(diào)整”，以便在特定系統(tǒng)中獲得最佳性能。由于具有許多滯后或明顯延遲響應的過程難以控制，因此簡單的PID控制器最適合用于對操縱變量（通?？刂铺砑拥竭^程的能量量或流速）的變化做出反應的過程。PID控制在負載不斷變化且控制器需要自動響應設定值的頻繁變化或調(diào)節(jié)變量的偏差（由于環(huán)境條件和負載的變化）的系統(tǒng)中非常有用。

圖1.采用PID控制功能的控制回路。

用于慢速過程的PID控制器的參數(shù)通常最初是通過使用按速度放大的系統(tǒng)模型獲得的。有許多先進的控制策略，但絕大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)使用PID控制器，因為它們是標準的，經(jīng)過時間考驗的，易于理解的工業(yè)組件。此外，由于過程的不確定性，對于給定過程，更復雜的控制方案不一定比經(jīng)過良好調(diào)諧的PID控制器更有效。

PID術語已在上文中簡要解釋。這是對它們的更完整的解釋。

比例控制

比例控制應用與誤差成比例的糾正項。比例常數(shù) （KP） 稱為控制器的比例增益。隨著增益的增加，系統(tǒng)對設定值變化的響應速度更快，最終（穩(wěn)態(tài)）誤差更小，但系統(tǒng)變得不那么穩(wěn)定，因為它的阻尼越來越不足。增益的進一步增加將導致過沖、振鈴，并最終導致無阻尼振蕩。

整體控制

雖然比例控制可以大大減少誤差，但它本身不能將誤差減少到零。但是，通過在控制函數(shù)中添加積分項，可以將誤差減少到零。閉環(huán)中的積分器必須設法將其平均輸入保持在零（否則，其輸出將無限增加，最終達到飽和或更糟）。積分增益常數(shù)越高，K我，錯誤越早變?yōu)榱悖ㄉ踔粮撸┮皂憫?所以要設置K我太高會招致振蕩和不穩(wěn)定。

衍生控制

添加與誤差信號的時間導數(shù)或變化率成比例的微分項可以提高穩(wěn)定性，減少在高增益下使用比例和/或積分項時產(chǎn)生的過沖，并通過預測誤差的變化來提高響應速度。它的增益，或“阻尼常數(shù)”，KD，通?？梢赃M行調(diào)整，以實現(xiàn)對設定值或調(diào)節(jié)變量變化的臨界阻尼響應。阻尼太小，比例控制的過沖可能會殘留;過多的阻尼可能會導致不必要的響應緩慢。設計人員還應注意，微分器會放大誤差信號中出現(xiàn)的高頻噪聲。

總之，比例控制器（P）將減少上升時間，并將減少但永遠不會消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例積分（PI）控制器將消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使瞬態(tài)響應惡化。比例積分微分控制器（PID）將提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少過沖并改善瞬態(tài)響應。表I總結了在閉環(huán)系統(tǒng)中增加給定項的影響。

表一.

三項之和為

在圖1的系統(tǒng)中，設定值與實際輸出之間的差異由誤差信號e（t）表示。誤差信號被施加到PID控制器，PID控制器計算該誤差信號的導數(shù)和積分，應用三個系數(shù)，并執(zhí)行上述求和以形成信號u（t）。

數(shù)字PID控制

PID算法現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)過程控制，已被認可并應用了近一個世紀，最初用于氣動控制器。在 1940 年代和 50 年代，電子設備首次用于使用模擬計算機對控制系統(tǒng)設計中的 PID 控制進行建模，越來越多地參與實際的過程控制回路，首先作為模擬控制器，后來作為數(shù)字控制器。使用8位微控制器的PID算法的軟件實現(xiàn)是有據(jù)可查的。

在本文中，我們將展示數(shù)字PID控制器的基本組件，然后展示如何使用MicroConverter（片上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）經(jīng)濟地實現(xiàn)過程控制。?

例如，可以考慮在空調(diào)或制冷系統(tǒng)中使用PID回路，使用連續(xù)監(jiān)測和控制（與恒溫開關控制相反）將溫度精確地保持在狹窄范圍內(nèi)。圖2顯示了控制系統(tǒng)的基本框圖，該系統(tǒng)通過連續(xù)調(diào)節(jié)風扇速度，增加或減少來自低溫源的氣流來調(diào)節(jié)溫度。

圖2.使用分立元件的溫控通風系統(tǒng)的PID控制器示例。

系統(tǒng)需要保持室溫盡可能接近用戶選擇的（設定值）值。為此，系統(tǒng)必須準確測量室溫并調(diào)整風扇速度以進行補償。

在圖2所示的系統(tǒng)中，精密電流源驅動電流通過電阻溫度傳感器（熱敏電阻或RTD）與基準電阻串聯(lián)，并進行調(diào)整以表示所需溫度。模數(shù)轉換器（ADC）將基準電壓和熱敏電阻電壓之間的差異數(shù)字化，作為溫度誤差的量度。8位微控制器用于處理ADC結果，并實現(xiàn)PID控制器。微控制器調(diào)節(jié)風扇速度，通過數(shù)模轉換器（DAC）驅動風扇速度。需要外部程序存儲器和RAM來操作8位微控制器并執(zhí)行程序。

如果單獨使用比例控制（P），則風扇的運行速率將與設定點的溫差直接相關。如前所述，這將留下穩(wěn)定狀態(tài)錯誤。

添加積分項 （PI） 會導致風扇速度隨環(huán)境溫度上升或下降。它調(diào)整室溫以補償由于白天環(huán)境溫度升高和晚上溫度下降而導致的誤差。因此，積分項消除了偏移，但如果積分增益過高，則可以引入圍繞設定點的振蕩。（請注意，振蕩是采用開關恒溫器的溫度控制系統(tǒng)所固有的。

通過添加導數(shù)項（PID），可以大大降低這種振蕩趨勢。導數(shù)項響應設定值誤差的變化率。它可以幫助系統(tǒng)快速糾正由于門或窗瞬間打開而導致的突然變化。

為了簡化該系統(tǒng)，最大限度地降低器件成本、裝配成本和電路板面積，可以使用集成式片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，如圖3所示。

圖3.片上系統(tǒng)實現(xiàn)。

ADuC845微轉換器包括62K字節(jié)的閃存/EE程序存儲器、4K字節(jié)的閃存數(shù)據(jù)存儲器和2K字節(jié)的RAM。閃存數(shù)據(jù)存儲器可用于存儲“調(diào)諧”PID環(huán)路的系數(shù)，而單周期內(nèi)核提供足夠的處理能力來同時實現(xiàn)PID環(huán)路并執(zhí)行一般任務。

根據(jù)所選的微轉換器，ADC的分辨率范圍為12至24位。在需要將溫度保持在0.1°C精度的系統(tǒng)中，ADuC845的高性能24位Σ-Δ型ADC是理想的選擇。

PID控制回路有用的第二種應用類型是設定點（伺服）電機控制。在此應用中，電機需要移動到、維護和遵循由用戶輸入定義的角度位置（例如，電位計的旋轉 - 圖 4）。

圖4.由分立元件體現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)示例。

同樣，該系統(tǒng)可以使用許多分立元件來實現(xiàn)，或者更簡單地說，可以使用集成解決方案來實現(xiàn)。圖5顯示了使用微轉換器構建的演示系統(tǒng)。電路板上的電路使指針跟隨設定點輸入電位器的旋轉。

圖5.使用分立元件的電機控制系統(tǒng)示例。

圖6.圖4的片上系統(tǒng)實現(xiàn)。

由于模塊集成在ADuC842的緊湊形式中，因此降低了零件和裝配成本;計算電子設備占用的空間要小得多，而且更可靠。圖 6 顯示了使用 SOC 方法的系統(tǒng)硬件的簡單性。

除ADuC842外，該板還包括一個電位計緩沖放大器、一個驅動電機的輸出功率放大器、一個用于低功耗電子設備的5 V低噪聲穩(wěn)壓器和一個用于電機的Huskier5 V穩(wěn)壓器（帶散熱器）。該板還包括狀態(tài) LED、RESET按鈕、串行數(shù)據(jù)下載按鈕和一些無源元件。

使用PC軟件模擬系統(tǒng)的其余部分，圖7顯示了不同級別的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的響應，并演示了積分項的重要性。

圖7.積分項的三個設置的比例積分 （P-I） 控制。請注意KI = 0時從1.0的偏移，KI = 2000的輕微阻尼振蕩趨勢，KI = 550時振蕩幾乎消除。

使用全PID環(huán)路實現(xiàn)時，整體系統(tǒng)階躍響應的改善如圖8所示。響應快速、準確且有阻尼，沒有偏移、振蕩或過沖。

圖8.比例-積分-微分 （PID） 控制響應。

審核編輯：郭婷