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基于微处理器的PID控制器的设计与应用研究

JOSEPH MUDARE  
【摘要】:控制工程是现代流程工业(process industries)中最为重要的组成部分。其主要目的是为了避免干扰,并确保在工业生产过程中得到所需要的输出。在众多的控制策略中,普遍使用比例积分微分(PID)算法。PID控制器通过一个简单的反馈系统完成积分和微分的运算过程,以此来实现对静态误差的估计和消除。95%以上的过程控制的控制回路类型都是PID类型,实际上很多环路是PI控制。PID控制器有许多不同的结构,它们可以在一个或多个环路中作为一个独立的系统进行工作,也可以作为过程处理中的分布系统进行工作。甚至在原子应力显微镜、汽车巡航系统和CD/DVD播放器中,都应用了PID控制器。由于PID控制可以满足控制系统的一般性能要求,因此,在几乎所有的工业控制过程中,都采用了PID控制系统。多年以来,PID控制器已经通过模拟结构实现。在多年前,科研人员首先将电子控制器应用于PID控制器。电子控制器在性能上逐渐超越了之前使用的机械式控制器,在速度和成本上也具有很大的优势。使用模拟PID控制器在控制对象改变时,很难调整控制参数。这时,通常需要工程师去调整控制器的硬件结构来实现控制参数的改变以适应新的控制情况。和现在相比,当时的数字控制器还没有发展起来,其运算速度非常慢并且成本较高,可应用的软件很少,还在使用机器码进行编程。经过30年的发展,这种情况发生了显著的改变。现在,微电子和微处理器的快速发展使其可以在工业过程中使用现代控制技术。数字控制器的成本显著下降并且处理速度明显增加,使其逐渐替代了模拟控制器。随着现代固态技术的发展,数字控制器通过改变内部软件(而不是硬件)的再设计能力成为超越模拟控制器的一个主要优势。因此,本文中,我们主要研究基于数字控制器的PID控制器的设计与应用,使其在不改变硬件结构的前提下,仅仅对数字控制器重新编程实现对PID控制参数的改变。首先,我们对PID控制器反馈控制系统理论进行了详细研究,并推导出PID控制器的数学模型。在PID控制器的调整过程中,首先需要确定内部控制方式,然后进行PID控制器的具体设计,调整过程中需要找到PID控制参数Kp,Ki和Kd的恰当值。本文对传统和现代的多种调整方法进行了研究,并选出了一种合适的调整方法用于本文的仿真和实验。应用数字控制器实现PID控制的方案需要同时考虑采样、离散化和量化等数字化的内容。本文对多种离散化方式进行了研究,并针对本文所提出的pid控制方法选择了一种合适的数字离散方法。选用直流-直流转换器进行实验,验证上述基于pid控制原理的数字控制器的有效性。随着科技的飞速发展,现今的供电系统在可靠性、优质性、高效性、小巧轻便性等方面有了突飞猛进的提升。基于此,直流-直流供电系统广泛应用于各工业领域以及各种电子系统当中。直流-直流转换器主要用于把带有波动的输入电压转化为稳定的输出电压供给可变电阻负载使用。直流-直流转换器大量应用在计算机、电视接收器、通信设备、医疗仪器、电池充电器以及需要有稳定直流电源供电的设备当中。另外在直流马达速度控制器中,也用直流-直流转换器来提供稳定可变直流电压。在升压、降压转换器中同样能看到直流-直流转换器的身影。在实验中我们选用了降压转换器来分析与验证上述基于pid控制原理的数字控制器。为使降压转换器保持恒定的输出电压,我们采用反馈环路来实时根据电压输出情况对输出电压进行调整。即当输出电压偏离理想值时,反馈系统对输出电压进行调整,使之回到理想值。反馈系统的这种调整作用是通过改变场效应管工作的占空比来实现的。上述基于pid控制原理的数字控制器在系统中就是要起到反馈环路的作用,通过调节场效应管工作的占空比来实现转换器的恒定电压输出。为了设计最适合本文的控制器,有必要获得转换器的动态性能、瞬态响应以及小信号特性等参数的详细信息。然而,这些信息不能完全从转换器的物理模型中获取。通过数学建模可以获得更多有效信息,在时不变系统中,可以通过不同的微分方程来获得电路波形。因此,在设计控制器时,通过建立控制器的数学模行是使用最广泛的一种分析方法,而且可以应用于开关转换器中。随着数学模型在转换器中的应用,许多技术都得以有效发展并推广,其中包括电流注入法、电路平均法和状态空间平均法,无论采用哪种方法它们都能得到相同的结果。在本文中,脉冲宽度调制(pwm)转换器的数学模型是利用状态空间平均技术在连续传导模式(ccm)中推导得出的。得到有效的数学模型后,本文利用matlab/simulink等仿真软件对该数学模型的开环、闭环和数字控制器的结果进行了分析。本文的研究主要取得了以下几点成果:1、对几种经典和现代的参数调整方法进行了回顾,详细研究了对pid控制参数,如kp、ti和td的选取方法。尽管已经出现了许多现代方法,但是研究表明从简洁性和应用角度来讲这些方法还是无法替代Z-N法。因此仍然需要一种比传统的Z-N法更简洁有效的参数调整方法,以适应现代飞速发展的控制工程要求。2、为了使用数字控制器进行准确的PID控制,对控制方法中所包含的积分项和微分项进行合理的近似是非常重要的。因此本文对多种离散方法进行了详细研究,并且通过本文的研究提出了一种有效的离散方法。后向差分技术是对PID控制理论中微分项进行离散化的最好方法,因为这种方法可以对所有Td值都进行很好的近似,并且相对于其它方法更容易进行计算。3、本文设计了一种基于数字控制器的PID控制器,并将其运用于降压转换器系统中,该系统可以将波动的12V输入电压转化成5V稳压输出。在CCM运行模式下,降压转换器可以成功的实现5V恒定输出电压,而这一处理过程只需要2秒钟的时间。从仿真结果中,我们发现,使用了闭环PID控制的Buck转换器的输出要优于开环Buck转换器。从仿真结果中可以清楚地观察到,PID闭环控制具有更小的过冲,更短的上升时间,更快的调整时间(settling time)。因此,应用闭环PID控制的Buck转换器无论是在瞬态性能还是静态性能上都要优于开环Buck转换器。实验结果与仿真结果在瞬态和稳态波形上基本吻合,只是在仿真过程中没有考虑量化误差的问题,在启动过程中,没有计入较小的过冲电压的影响。在实验中,考虑到数字控制器的鲁棒性,简单性和成本等因素,本文使用PIC16F84数字控制器来实现数字PID控制,得到的结果与仿真实验结果相吻合。通过仿真与实验结果的对比,可以知道在硬件不做任何改变的情况下,只要重新编程数字控制器就可以改变PID控制器的参数。比较结果还表明,基于数字控制器的PID控制器不仅较同类控制器需要更少的元器件组成单元,且其抗噪声、抗干扰能力也比同类控制器更强。


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