常用自动系统控制系统软件系统设计思路

发布时间:2008/12/17 0:00:00 访问次数:695

　　在数字pid控制器和模糊pi控制器的程序设计中需要用到大量的变量，为了便于以后的讲解，首先定义一些程序中所要使用的变量名和公式中使用的变量名，如表1所示。

　　表1 公式中变量和程序中变量的对应关系及意义表

续表

　　本案例首先设计一个数字pid控制器，现在假设它是一个对电动机速度进行pid控制的系统。图1是pid控制器的原理框图。

　　图1 pid控制器的原理框图

　　图1中，r(t)是电机速度设定值，c(t)是电机转速的实际测量值，e(t)是输入控制器的偏差信号，勿⑺是控制器输出的控制量，则pid控制算式如式4－1所示。

　　在式4-1中，kp是比例系数，起比例调整作用。ti是积分时间常数，它决定了积分作用的强弱。td是微分时间常数，它决定了微分作用的强弱。在pid控制的3种作用中，比例作用可对系统的偏差做出及时响应；积分作用主要用来消除系统静差，改善系统的静态特性，体现了系统的静态性能指标；微分作用主要用来减少动态超调，克服系统振荡，加快系统的动态响应，改善系统的动态特性。，pid控制的3种作用（比例、积分、微分）是各自独立的，可以分别使用，也可以结合徒用，但是积分控制和微分控制不能单独使用，必须和比例控制结合起来，形成pl控制器或者pd控制器。式4－1是模拟形式的pid控制算式，现在采用lf2407实现数字pid控制，则对式4-1离散化，得到pid控制的离散形式，如式4－2所示。

　　其中ts为采样周期。这是位置式pid控制算式，为了增加控制系统的可靠性，采用增量式pid控制算式，即让lf2407只输出控制量u(k)的增量δu(k)。式4-2是第k次pid控制器的输出量，那么第k－1次pid控制器的输出量如式4－3所示。

　　方程式4-5就是本控制程序中用到的增量式pid控制算式。增量式pid控制与位置式πd控制相比仅是算法上有所改变，但是它只输出增量，减少了dsp误操作时对控制系统的影响，而且不会产生积分失控。本案例基于lf2407的pid控制器的实现框图如图2所示。

　　图2 基于lf24o7的pid控制器的实现框图

　　从图2可以看出被控电机的速度设定量由dsp给出，经过dsp计算出控制量u（k），对它进行da转换，产生模拟控制量u（t），从而实现对被控电机速度的控制，而电机实际转速c（t）通过ad转换器送入dsp，使整个系统构成一个闭环系统。如图3所示是本案例设计的数字pid控制器在dsp上实现的控制程序流程图。

　　图3 基于lf24o7的数字pid控制器的程序流程图

　　其次，本案例还要设计一个模糊pi控制器，它的硬件电路如图2所示，和数字pid控制器的硬件电路是一样的。模糊控制技术是建立在模糊数学的基础上的，它是针对被控对象的数学模型不明确，或非线性模型的一种工程实用、实现简单的控制方法。与传统的pid控制器相比，模糊控制器有更快的响应和更小的超调，对过程参数的变化不敏感，即具有很强的鲁棒性，能够克服非线性因素的影响。

　　数字pid控制器是一种工业控制中通用的控制器，但是工业生产现场环境复杂，往往出现在某种情况下设计好的控制参数，在另一种情况下又不满足工业生产的需求了，而常规的数字pid控制器不具有在线整定参数kp、ki、kd的功能，使得其不能满足系统在不同偏差绝对值h及偏差变化率绝对值｜△e｜下，对pid参数的不同要求，从而影响了控制器控制品质的进一步提高。在本案例中，在数字pid控制器的基础上，去掉数字pid控制器中的微分环节d，只采用pi控制器，并且采用模糊推理思想，根据不同的｜e｜和｜△e｜，对pi控制器的参数kp和ki进行在线自整定。其原理结构由两部分组成：常规pi控制器部分和模糊控制的参数校正部分，如图4所示。

　　图4 模糊pi控制器的原理框图

　　从图4中可以看出，r（k）是输入设定值，c（k）是实际测量值，r（k）是输人偏差信号，其h控制器的离散表示形式如式4-6所示。