基于DSP的PID温度控制系统

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1、2012-07-19###警皆能鬧)¥沢療翟蹩稱釁鑿77-19########郑磊冻南大学自动控制系南京210096)摘要在科学实验、工业生产、家庭生活等各个领域•温度控制得到了广泛的应用，但是一般的温度控制系统有超调量大,响应时间长等不足,为此硏究以1MS320C549为平台实现PD控制算法在温度控制系统的应用.提出PD算法时间最优化与PD参数寻优处理的方法.给出基于DSP实现的温度控制系统。经实验验证，系统达到响应快.无超调量的目的。尖键词PD控制算法；DSP;时间最优化；PD参数优化中图分类号TP202+20

2、12-Q7融弗側Sffl般以2&Q7-19####刪2-07-19########1引言PD控制是发展最早、应用最广的一种控制磔略，由于其算法简单、鲁棒性较好、可靠性高，很广泛应用于过程控制和运动控制中。由于PD搖制器参数直接影响着控制效果的好坏，一般用于馮控系统的PD算法大多在经验和实验基础上试廣得到，开发周期长，系统响应时间慢•超调量大。本文着重研究PD控制器参数的整定与最仅化问题，充分利用数字信号处理器能够快速进行数字运算、可靠性高、可编程性强、适用于高速数字信号处理的特点，开发出一种采用数字信号处理器作为控

3、制核心的PD温度控制系统，实现了无超调响应时间短的目的，并给出实验结果。2系统描述本系统的传递函数从结构上由加热器的传递函数G(S)感温元件的传递函数W1

4、S十1(s)二仝和一个饱和特性环节M(s)三部分组成具中K1、K2、T1、T2为测定常数。系统框图见图1，其中被控对象为H(s)=G(s)3M(s)，控制器为P(s)具中参数Kp、KIKd待定。3PD算法3.1PD算法由于本系统复杂性，变量间的关联性和非线性等原因，仅使用传统算法寻找一组合适的PD参数对要求控制范围宽、响应快、连续可调的本系统进行调控相当困难，下

5、面我们使用时间控制算法结合单纯形PD参数优化法，对本系统进行控制取得了3.2时间最优控制时间最优控制又称快速控制，即控制系统的铝定值由一个状态运动到另一个状态所经历的过滙时间最短。从理论上可以证明，对于一个线性定耗控制系统，有：fX(l)二AX(l)+Bu(t)⑴(y(t)=CX(t)式中，X(t)■状态向量，u(t)•控制向量，y(t)・输出向量,A,B,C・常数矩阵。由初始状态X(t)=Xo倒终端状态X⑴=0的时间最短，即:tfJ=mindt=min(V-£)X)J约束条件：

6、u;(t)

7、<1)要求最优控制是：

8、

9、ui(l)

10、=l(i二1,2,,,,)在本系统中，我们采取的是式(3)所裁决的控制方案，即:沁快速控制

11、定出一组固定的参数。PD控制器参数自寻优就是一个优化Kp、KIKd的过程,其优化原理如图2所示:TMS320C549r>DSP主机控制部分耳图2PD优化设计原理图对于优化问题，最重要的是选取目标函数。不同的优化指标所需要的控制是不同的•其目标函数也就不一样。例如J.=J詁考虑了系统的稳定性和准确性;不仅考虑了稳定性和准确性，还考虑了系统的快速性。由于在本系统中需要考虑控制能量大、无超调等指标，所以我们选用目标函数J?二£i3J采用单纯形法进行PD参数的寻优。单纯形法的基本思想如下:给定R“中一个单纯形，求出n+1个

12、顶点上的函数值，确定最大函数值点，最小函数值点和二者之间的点，然后通过反射，扩展和压缩等方法求出一个较好的点，以取代最高点而构成一个新的单纯形•或者通过向最低点收缩而形成一个新的单纯形，以逼近或确定极小值点，即得到要求的参数值。通过算法寻优、确定岀使目标函数h最佳的误差e,也就整定了寻优参数Kp、Ki.Kd的值。4硬件方案设计及实现4.1主控制部分在本系统中由一片1MS320C549DSP芯片和—片EPROM构成的DSP最小系统是整个系统的核心控制部分。1MS320C54X是TI公司IMS320系列芯片中新一代16

13、-bit定点DSP,适合于高速的数字信号处理。它拥有100MIPS运算速度，同时4级流水操作用于延迟分支、调用和返回指令，对于本系统而言都是显著的提高⑴。系统硬件结构如图所示.前向通道为温度采集，后向通道为功率控制，键盘和数码显示构成人机交互通道。图3系统硬件组成框图4.2测量电路部分一般市场上多是采用热敏电阻PtlOO,可满足400至90E测量范围，可以直