白迎斌

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

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基于繼電器反饋的自整定PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

白迎斌

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

摘要：PID控制是目前過程工業(yè)應(yīng)用最普遍的控制方法之一。但是簡單PID控制不能很好地適應(yīng)對(duì)象系統(tǒng)特性變化時(shí)的最佳控制要求，而人工調(diào)整參數(shù)在控制精度和調(diào)整頻度上均不可能滿足時(shí)時(shí)變化的對(duì)象系統(tǒng)的控制要求。目前己有的多種具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器大多整定復(fù)雜并對(duì)實(shí)際控制過程有影響。鑒于PID控制方法目前仍有廣泛應(yīng)用，PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)將具有很好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)空間。針對(duì)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于繼電器反饋，具有自整定功能的PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PID控制；繼電器反饋；自整定；調(diào)節(jié)器

PID控制是目前過程工業(yè)應(yīng)用最普遍的控制方法之一。但是簡單PID控制不能很好地適應(yīng)對(duì)象系統(tǒng)特性變化時(shí)的最佳控制要求，而人工調(diào)整參數(shù)在控制精度和調(diào)整頻度上均不可能滿足時(shí)時(shí)變化的對(duì)象或系統(tǒng)的控制要求。目前己有的多種具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器大多整定復(fù)雜并對(duì)實(shí)際控制過程有影響。鑒于PID控制方法目前仍有廣泛應(yīng)用，PID參數(shù)自整定設(shè)計(jì)將具有很好的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，工業(yè)裝置在運(yùn)行過程中，過程對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生或大或小的變化，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，可以在過程特性發(fā)生變化以后使控制器參數(shù)隨之作相應(yīng)的變化，即可使PID控制器具有一定的自適應(yīng)控制能力。

繼電器反饋?zhàn)哉≒ID調(diào)節(jié)器可以應(yīng)用在簡單過程控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)，能完成自動(dòng)整定PID初始參數(shù)、自動(dòng)在線優(yōu)化PID參數(shù)，保證系統(tǒng)在優(yōu)化的情況下工作。調(diào)節(jié)器具有節(jié)省人工、優(yōu)化運(yùn)行、配置簡單等特點(diǎn)，使控制系統(tǒng)的投運(yùn)、調(diào)試、運(yùn)行簡便、高效。

1　繼電器反饋?zhàn)哉≒ID算法

繼電自整定PID參數(shù)的基本思路是在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模式：自整定模式和調(diào)節(jié)模式。在自整定模式下，由繼電器閉環(huán)的極限環(huán)法來整定系統(tǒng)的臨界比例增益和振蕩頻率，而在調(diào)節(jié)模式下，由PID參數(shù)整定方法整定出PID參數(shù)值，然后對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，如果控制系統(tǒng)發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)行自整定。繼電型PID自整定控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，GaCjωc為廣義被控對(duì)象，當(dāng)開關(guān)S位于自整定位置時(shí)，系統(tǒng)處于整定狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)S置于調(diào)節(jié)位置時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID控制輸出。

圖1　繼電反饋?zhàn)哉ńY(jié)構(gòu)圖

用描述函數(shù)方法來確定系統(tǒng)的增益Kc和振蕩頻率ωc，圖2為系統(tǒng)的繼電非線性環(huán)節(jié)特性。

圖2　繼電非線性環(huán)節(jié)特性圖

由描述函數(shù)理論可知，圖2中給出的帶有回環(huán)的繼電非線性環(huán)節(jié)特性的描述函數(shù)可以表達(dá)為

式中：A代表正弦波幅值；d表示回環(huán)幅值；ε代表回環(huán)寬度的一半。

只考慮一種簡單的情況，假設(shè)繼電非線性環(huán)節(jié)不帶有回環(huán)，即若ε=0，則描述函數(shù)可以簡化為

當(dāng)繼電反饋用描述函數(shù)分析時(shí)，繼電器用一個(gè)近似的線性等價(jià)描述函數(shù)假定，則可以給出對(duì)象的頻率響應(yīng)為：

描述函數(shù)分析中假設(shè)G(jωc)的奈氏曲線與實(shí)軸在-1/N（A）的ωc處相交，而對(duì)像的奈氏曲線與負(fù)實(shí)軸的交點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，定義對(duì)象的臨界點(diǎn)頻率ωd為如下：

因此可以估計(jì)臨界點(diǎn)頻率ωd和臨界增益Kd：

當(dāng)已知系統(tǒng)的臨界比例增益和振蕩周期時(shí)，可以用經(jīng)驗(yàn)整定公式來確定PID參數(shù)值，表1給出了根據(jù)Ziegler-Nichols整定公式。

表1　Ziegler-Nichols整定公式

繼電自整定方法簡單，可靠，需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)就是繼電器特性的參數(shù)[1]。

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖3所示。

圖3　調(diào)節(jié)器硬件電路框圖

通常單片機(jī)所要控制的繼電器大多為DC5V的小型電子繼電器。盡管如此，光靠單片機(jī)的輸出端口的電流恐怕不夠，況且要驅(qū)動(dòng)繼電器線圈這種電感性負(fù)載還需要有些保護(hù)，圖4所示為低電平動(dòng)作的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，單片機(jī)輸出的FET導(dǎo)通，可吸入高達(dá)數(shù)毫安的電流（即ib），如此大的ib將使晶體管飽和、繼電器激磁，其中電阻R12提供限流保護(hù)。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)，單片機(jī)輸出端的FET不導(dǎo)通，所以ib=0，晶體管截止，繼電器不激磁。另外，由于線圈屬于電感性負(fù)載，當(dāng)晶體管截止時(shí)，ic=0，而原本線圈上的電流iL不可能瞬間為0，所以二極管D10就提供一個(gè)iL的放電路徑，使線圈不會(huì)產(chǎn)生高的反向電動(dòng)勢(shì)，可防止破壞晶體管[2-3]。

圖4　繼電器驅(qū)動(dòng)電路

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主程序

整個(gè)程序設(shè)計(jì)采用C語言完成。當(dāng)控制器上電復(fù)位或因?yàn)槌绦蚺茱w導(dǎo)致看門狗復(fù)位發(fā)生時(shí)，程序首先進(jìn)入初始化函數(shù)，對(duì)定時(shí)器、串行通訊、中斷等部分的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，之后程序便進(jìn)入主循環(huán)。調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)軟件按照功能包括：按鍵處理模塊、A/ D轉(zhuǎn)換及其處理器模塊、繼電反饋模塊、存儲(chǔ)器模塊、PID控制模塊、主模塊[4-5]。圖5為本系統(tǒng)軟件的總體流程圖。

3.2PID控制算法

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。由PID控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)可知增量式PID控制的公式為

式中：

圖5　主程序流程圖

本設(shè)計(jì)采用的是增量式PID控制。由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的經(jīng)典PID控制理論可得流程圖，圖6中r(k)為系統(tǒng)設(shè)定值，c(k)為實(shí)際測(cè)量值。在增量形式的控制算式中，控制作用中的比例、積分、微分部分是相互獨(dú)立的[6-7]。

3.3繼電器反饋?zhàn)哉ǔ绦蛟O(shè)計(jì)

圖7為參數(shù)自整定流程圖。

圖7　參數(shù)自整定流程圖

參數(shù)自整定函數(shù)所要完成的功能是，當(dāng)被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行繼電控制，當(dāng)傳感器采樣值小于設(shè)定值時(shí)繼電器吸合，被控電路回路導(dǎo)通工作，當(dāng)傳感器采樣值大于設(shè)定值時(shí)繼電器釋放，被控電路回路斷開停止工作。當(dāng)被控對(duì)象有一定的滯后時(shí)間，產(chǎn)生等幅振蕩，由振蕩周期和臨界增益便可計(jì)算出PID參數(shù)[8]。

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)介紹了基于繼電器反饋的自整定PID控制器的設(shè)計(jì)。其中軟件調(diào)節(jié)采用的是繼電自整定PID算法調(diào)節(jié)，它能方便地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的過程控制。并且通過通訊電路模塊，方便控制器與計(jì)算機(jī)的通訊和程序下載。本設(shè)計(jì)只是初步實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)自整定基本功能，要真正實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器自整定優(yōu)化功能還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]何宏源,徐進(jìn)學(xué)，金妮.PID繼電器整定技術(shù)發(fā)展綜述[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（4）：57-64.

[2]劉太生，PID控制器參數(shù)自整定方法比較[J].國外建材科技，2005,26（1）：10-16.

[3]鄭飛，姜學(xué)東.嵌入式PID控制器及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009,10（2）：63-64.

[4]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航天大學(xué)出版社，2007：156-178.

[5]張義和，王敏男.例說51單片機(jī)（C語言版）[M].北京：人民郵電出版社，2010：20-23.

[6]鄭飛，姜學(xué)東.嵌入式PID控制器及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009,10（2）：63-64.

[7]劉太生，PID控制器參數(shù)自整定方法比較[J].國外建材科技，2005,26（1）：10-16.

[8]梅曉榕.自動(dòng)控制原理[M].科學(xué)出版社，2007：176-195.

中圖分類號(hào)：TP23