劉 迪，王冬梅，胡春萬，孫富振

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.92635部隊 山東 青島 266041）

在現(xiàn)代工業(yè)控制應(yīng)用中，單回路控制系統(tǒng)是最簡單、最基本、也是使用最廣泛的一種形式。對于控制系統(tǒng)來說，在設(shè)定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動作用后，系統(tǒng)將從原來的穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷一個過程進入另一個新的穩(wěn)態(tài)。一個自動控制系統(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。一個良好的控制系統(tǒng)，在經(jīng)歷擾動后，一般應(yīng)平穩(wěn)、迅速和準確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。這就需要對調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)進行準確地設(shè)定才能達到理想的效果。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、適應(yīng)性更強、功能更豐富的控制器[1]。本控制器正是以S3C44B0X芯片為核心設(shè)計的單回路控制器。

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，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)用最廣泛的一個系列。當前，ARM處理器得到了眾多半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，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)良的性能和準確的市場定位極大地豐富了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，又進入了一個新的歷史發(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 8位機的需求，形成了32位機的發(fā)展遲遲不前的局面。當網(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；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)勢迅速形成 32位機高端應(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，也為力不從心的8位機向高端發(fā)展起到了接力作用。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢，要求在這些 8位機的應(yīng)用中，提升海量數(shù)據(jù)處理能力。當 8位機無法滿足這些提升要求時，便會轉(zhuǎn)而求助 32位機的解決辦法。因此，32位機的市場需求發(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，吸引了大量計算機專業(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)用進入到一個基于軟、硬件平臺、集成開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時代。

ARM7S3C44B0X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速度。允許幾個操作同時進行，并允許處理和存儲系統(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、存儲和交換指令可以訪問存儲器中的數(shù)據(jù)[2]。處理器存儲器接口被設(shè)計成在使用存儲器最少的情況下實現(xiàn)其潛能。關(guān)鍵的控制信號是流水作業(yè)的，以允許在標準低功耗邏輯下實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。這些控制信號方便了許多片內(nèi)和片外存儲器技術(shù)支持的快速突發(fā)訪問模式的開發(fā)，方便了業(yè)界標準動態(tài)RAM提供的快速局部訪問模式的利用。同時，嵌入式ICE-RT邏輯為ARM7S3C44B0X提供了集成的在片調(diào)試支持，可以使用嵌入式 ICE-RT邏輯來編程斷點或觀察點出現(xiàn)的條件[3]。此外，ARM7S3C44B0X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個指令集。處理器部件和主要信號路徑如圖1所示。

圖1 ARM7處理器部件和主要信號路徑的框圖Fig.1 Block diagram of ARM7 processor components and the main signal path

2 單回路控制系統(tǒng)的具體設(shè)計

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、與外部被測對象、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)的給定值與實際值的偏差，利用ARM7S3C44B0X芯片進行PID運算后，來實現(xiàn)對PID控制參數(shù)的調(diào)整[4]。主調(diào)節(jié)器的輸入由設(shè)定值與實際值的偏差給定，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，可單獨地進行P、I、D 參數(shù)、給定值的設(shè)定。

圖2 單回路PID控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of single-loop PID control system

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。實際運行經(jīng)驗及理論分析充分證明，這種控制規(guī)律用于多數(shù)被控對象能夠獲得較滿意的控制效果。因此，在計算機測控系統(tǒng)中廣泛地采用PID控制規(guī)律。

PID算法的離散化對被控對象的靜態(tài)和動態(tài)特性的研究表明，由于絕大多數(shù)系統(tǒng)中存在儲能部件，使系統(tǒng)對外作用有一定的慣性，這種慣性可以用時間常數(shù)來表征。另外，在能量和信息傳輸時還會因管道、長線等原因引入一些時間上的滯后。在工業(yè)生產(chǎn)過程的實時控制中，總是會存在外界的干擾和系統(tǒng)中各種參數(shù)的變化，它們將會使系統(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，加強對系統(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

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，計算機測控系統(tǒng)通常利用采樣方式實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的各個回路進行巡回檢測和控制，它屬于采樣調(diào)節(jié)。

設(shè)計中的單回路控制器采用的數(shù)字PID算法由軟件實現(xiàn)，所謂PID控制就是按設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、偏差的積累和偏差變化的趨勢講行控制。它根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此PID控制律的實現(xiàn)，必須用數(shù)值逼近法[5]。當采樣周期相當短時，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，k=1，2…，T——采樣周期。

顯然，上述離散化過程中，采樣時間必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為了書寫方便，將e（kT）簡化表示成e（k）等，即省去T[6]?？梢缘玫诫x散的PID表達式為：

式中，k——采樣序號，k=0，1，2……；u（k）——第k次采樣時刻的計算機輸出值；e（k）——第k次采樣時刻輸入的偏差值；e（k-1）——第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；KI——積分系數(shù)，微分系數(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Δu（k），該算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快[7]。

根據(jù)遞推原理可得

用式（5）減式（6），可得增量式PID控制算法:

4 仿真說明

圖3 單回路控制系統(tǒng)SIMULINK模型圖Fig.3 Simulink model diagram of single-loop control system

該系統(tǒng)要做的仿真驗證是：采用ARM7S3C44B0X芯片進行PID參數(shù)整定要比采用普通的89C51單片機芯片進行PID參數(shù)整定的效果好。在單回路控制系統(tǒng)的輸入端輸入一個階躍信號，在示波器中得到的仿真圖如圖4、5所示。

圖4為采用普通的89C51單片機芯片進行PID參數(shù)調(diào)試后的效果。

圖4 采用普通的89C51單片機芯片進行PID參數(shù)調(diào)試后的仿真圖Fig.4 Simulation charts of debugging PID parameters using ordinary 89C51 microcontroller chip

圖5為采用ARM7S3C44B0X芯片進行PID參數(shù)調(diào)試后的效果。

圖5 采用ARM7S3C44B0X芯片進行PID參數(shù)調(diào)試后的仿真圖Fig.5 Simulation charts of debugging PID parameters using ARM7S3C44B0X chip

可以明顯的看到，圖4所示的仿真曲線，系統(tǒng)的動態(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，這種簡捷方便的參數(shù)整定方法具有一定的實用性。本文采用ARM7S3C44B0X芯片進行單回路PID參數(shù)調(diào)試，與89C51單片機芯片相比較，體現(xiàn)出強大的數(shù)據(jù)處理功能，過渡過程非常平穩(wěn)，在控制上達到了平穩(wěn)、迅速、準確跟蹤設(shè)定值的要求，控制效果良好。

[1]田潔.嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2]劉金餛.先進PID控制及MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：153-165.

[3]雷光輝 ，王炳謙 ，陳建國.熱工自動控制系統(tǒng)實驗裝置[J].實驗技術(shù)與管理 ，1998（6）:35-37.LEI Guang-hui， WANG Bing-qian， CHEN Jian-guo.Thermal automatic control system for experimental devices[J].Experimental Technology and Management，1998 （6）:35-37.

[4]瞿亮.基于M atlab的控制系統(tǒng)計算機仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[5]趙麗艷 ，張裊娜.Matlab仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)教育，2006 （20）:53-54.ZHAO Li-yan，ZHANG Xiao-na.The applications of matlab simulation technology in the experimentalteaching[J].Vocational and Technical Education，2006 （20）:53-54.

[6]張俊宏.嵌入式系統(tǒng)原理與實務(wù)[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[7]舒迪前.自適應(yīng)控制[M].沈陽:東北大學(xué)出版社，1993：35-64.