當(dāng)過(guò)程被控制時(shí)（圖1），將過(guò)程的特性，如溫度（調(diào)節(jié)變量）與所需值或設(shè)定值進(jìn)行比較。差值或錯(cuò)誤信號(hào)e（t）應(yīng)用于控制器，控制器使用錯(cuò)誤信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)u（t），該控制信號(hào)操縱過(guò)程的物理輸入（操縱變量），導(dǎo)致調(diào)節(jié)變量發(fā)生變化，從而穩(wěn)定地減少誤差。

常用的控制算子是比例-積分-微分（P-I-D 或 PID）控制器。它總結(jié)了從誤差得出的三個(gè)項(xiàng)：簡(jiǎn)單增益或比例項(xiàng);與誤差的積分成比例的項(xiàng)，或積分項(xiàng);以及與誤差信號(hào)變化率成比例的項(xiàng)，或?qū)?shù)項(xiàng)。在閉環(huán)中，比例項(xiàng)旨在減少與其瞬時(shí)值成比例的誤差;積分項(xiàng)——累積誤差——慢慢地將誤差推向零（其存儲(chǔ)的誤差往往會(huì)使誤差超過(guò)零）;導(dǎo)數(shù)項(xiàng)使用誤差變化率來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)值，加快對(duì)比例項(xiàng)的響應(yīng)，并通過(guò)補(bǔ)償積分項(xiàng)的滯后來(lái)提高循環(huán)穩(wěn)定性。

這些術(shù)語(yǔ)的組合可以提供非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制。但控制項(xiàng)必須單獨(dú)調(diào)整或“調(diào)整”，以便在特定系統(tǒng)中獲得最佳性能。由于具有許多滯后或明顯延遲響應(yīng)的過(guò)程難以控制，因此簡(jiǎn)單的PID控制器最適合用于對(duì)操縱變量（通?？刂铺砑拥竭^(guò)程的能量量或流速）的變化做出反應(yīng)的過(guò)程。PID控制在負(fù)載不斷變化且控制器需要自動(dòng)響應(yīng)設(shè)定值的頻繁變化或調(diào)節(jié)變量的偏差（由于環(huán)境條件和負(fù)載的變化）的系統(tǒng)中非常有用。

圖1.采用PID控制功能的控制回路。

用于慢速過(guò)程的PID控制器的參數(shù)通常最初是通過(guò)使用按速度放大的系統(tǒng)模型獲得的。有許多先進(jìn)的控制策略，但絕大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)使用PID控制器，因?yàn)樗鼈兪菢?biāo)準(zhǔn)的，經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的，易于理解的工業(yè)組件。此外，由于過(guò)程的不確定性，對(duì)于給定過(guò)程，更復(fù)雜的控制方案不一定比經(jīng)過(guò)良好調(diào)諧的PID控制器更有效。

PID術(shù)語(yǔ)已在上文中簡(jiǎn)要解釋。這是對(duì)它們的更完整的解釋。

比例控制

比例控制應(yīng)用與誤差成比例的糾正項(xiàng)。比例常數(shù) （KP） 稱(chēng)為控制器的比例增益。隨著增益的增加，系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值變化的響應(yīng)速度更快，最終（穩(wěn)態(tài)）誤差更小，但系統(tǒng)變得不那么穩(wěn)定，因?yàn)樗淖枘嵩絹?lái)越不足。增益的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致過(guò)沖、振鈴，并最終導(dǎo)致無(wú)阻尼振蕩。

整體控制

雖然比例控制可以大大減少誤差，但它本身不能將誤差減少到零。但是，通過(guò)在控制函數(shù)中添加積分項(xiàng)，可以將誤差減少到零。閉環(huán)中的積分器必須設(shè)法將其平均輸入保持在零（否則，其輸出將無(wú)限增加，最終達(dá)到飽和或更糟）。積分增益常數(shù)越高，K我，錯(cuò)誤越早變?yōu)榱悖ㄉ踔粮撸┮皂憫?yīng)更改;所以要設(shè)置K我太高會(huì)招致振蕩和不穩(wěn)定。

衍生控制

添加與誤差信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)或變化率成比例的微分項(xiàng)可以提高穩(wěn)定性，減少在高增益下使用比例和/或積分項(xiàng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)沖，并通過(guò)預(yù)測(cè)誤差的變化來(lái)提高響應(yīng)速度。它的增益，或“阻尼常數(shù)”，KD，通常可以進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值或調(diào)節(jié)變量變化的臨界阻尼響應(yīng)。阻尼太小，比例控制的過(guò)沖可能會(huì)殘留;過(guò)多的阻尼可能會(huì)導(dǎo)致不必要的響應(yīng)緩慢。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意，微分器會(huì)放大誤差信號(hào)中出現(xiàn)的高頻噪聲。

總之，比例控制器（P）將減少上升時(shí)間，并將減少但永遠(yuǎn)不會(huì)消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例積分（PI）控制器將消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使瞬態(tài)響應(yīng)惡化。比例積分微分控制器（PID）將提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少過(guò)沖并改善瞬態(tài)響應(yīng)。表I總結(jié)了在閉環(huán)系統(tǒng)中增加給定項(xiàng)的影響。

表一.

三項(xiàng)之和為

在圖1的系統(tǒng)中，設(shè)定值與實(shí)際輸出之間的差異由誤差信號(hào)e（t）表示。誤差信號(hào)被施加到PID控制器，PID控制器計(jì)算該誤差信號(hào)的導(dǎo)數(shù)和積分，應(yīng)用三個(gè)系數(shù)，并執(zhí)行上述求和以形成信號(hào)u（t）。

數(shù)字PID控制

PID算法現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制，已被認(rèn)可并應(yīng)用了近一個(gè)世紀(jì)，最初用于氣動(dòng)控制器。在 1940 年代和 50 年代，電子設(shè)備首次用于使用模擬計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 PID 控制進(jìn)行建模，越來(lái)越多地參與實(shí)際的過(guò)程控制回路，首先作為模擬控制器，后來(lái)作為數(shù)字控制器。使用8位微控制器的PID算法的軟件實(shí)現(xiàn)是有據(jù)可查的。

在本文中，我們將展示數(shù)字PID控制器的基本組件，然后展示如何使用MicroConverter（片上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。?

例如，可以考慮在空調(diào)或制冷系統(tǒng)中使用PID回路，使用連續(xù)監(jiān)測(cè)和控制（與恒溫開(kāi)關(guān)控制相反）將溫度精確地保持在狹窄范圍內(nèi)。圖2顯示了控制系統(tǒng)的基本框圖，該系統(tǒng)通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，增加或減少來(lái)自低溫源的氣流來(lái)調(diào)節(jié)溫度。

圖2.使用分立元件的溫控通風(fēng)系統(tǒng)的PID控制器示例。

系統(tǒng)需要保持室溫盡可能接近用戶(hù)選擇的（設(shè)定值）值。為此，系統(tǒng)必須準(zhǔn)確測(cè)量室溫并調(diào)整風(fēng)扇速度以進(jìn)行補(bǔ)償。

在圖2所示的系統(tǒng)中，精密電流源驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電阻溫度傳感器（熱敏電阻或RTD）與基準(zhǔn)電阻串聯(lián)，并進(jìn)行調(diào)整以表示所需溫度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將基準(zhǔn)電壓和熱敏電阻電壓之間的差異數(shù)字化，作為溫度誤差的量度。8位微控制器用于處理ADC結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)PID控制器。微控制器調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇速度。需要外部程序存儲(chǔ)器和RAM來(lái)操作8位微控制器并執(zhí)行程序。

如果單獨(dú)使用比例控制（P），則風(fēng)扇的運(yùn)行速率將與設(shè)定點(diǎn)的溫差直接相關(guān)。如前所述，這將留下穩(wěn)定狀態(tài)錯(cuò)誤。

添加積分項(xiàng) （PI） 會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇速度隨環(huán)境溫度上升或下降。它調(diào)整室溫以補(bǔ)償由于白天環(huán)境溫度升高和晚上溫度下降而導(dǎo)致的誤差。因此，積分項(xiàng)消除了偏移，但如果積分增益過(guò)高，則可以引入圍繞設(shè)定點(diǎn)的振蕩。（請(qǐng)注意，振蕩是采用開(kāi)關(guān)恒溫器的溫度控制系統(tǒng)所固有的。

通過(guò)添加導(dǎo)數(shù)項(xiàng)（PID），可以大大降低這種振蕩趨勢(shì)。導(dǎo)數(shù)項(xiàng)響應(yīng)設(shè)定值誤差的變化率。它可以幫助系統(tǒng)快速糾正由于門(mén)或窗瞬間打開(kāi)而導(dǎo)致的突然變化。

為了簡(jiǎn)化該系統(tǒng)，最大限度地降低器件成本、裝配成本和電路板面積，可以使用集成式片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，如圖3所示。

圖3.片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

ADuC845微轉(zhuǎn)換器包括62K字節(jié)的閃存/EE程序存儲(chǔ)器、4K字節(jié)的閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2K字節(jié)的RAM。閃存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)“調(diào)諧”P(pán)ID環(huán)路的系數(shù)，而單周期內(nèi)核提供足夠的處理能力來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)PID環(huán)路并執(zhí)行一般任務(wù)。

根據(jù)所選的微轉(zhuǎn)換器，ADC的分辨率范圍為12至24位。在需要將溫度保持在0.1°C精度的系統(tǒng)中，ADuC845的高性能24位Σ-Δ型ADC是理想的選擇。

PID控制回路有用的第二種應(yīng)用類(lèi)型是設(shè)定點(diǎn)（伺服）電機(jī)控制。在此應(yīng)用中，電機(jī)需要移動(dòng)到、維護(hù)和遵循由用戶(hù)輸入定義的角度位置（例如，電位計(jì)的旋轉(zhuǎn) - 圖 4）。

圖4.由分立元件體現(xiàn)的電機(jī)控制系統(tǒng)示例。

同樣，該系統(tǒng)可以使用許多分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者更簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以使用集成解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5顯示了使用微轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的演示系統(tǒng)。電路板上的電路使指針跟隨設(shè)定點(diǎn)輸入電位器的旋轉(zhuǎn)。

圖5.使用分立元件的電機(jī)控制系統(tǒng)示例。

圖6.圖4的片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

由于模塊集成在ADuC842的緊湊形式中，因此降低了零件和裝配成本;計(jì)算電子設(shè)備占用的空間要小得多，而且更可靠。圖 6 顯示了使用 SOC 方法的系統(tǒng)硬件的簡(jiǎn)單性。

除ADuC842外，該板還包括一個(gè)電位計(jì)緩沖放大器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率放大器、一個(gè)用于低功耗電子設(shè)備的5 V低噪聲穩(wěn)壓器和一個(gè)用于電機(jī)的Huskier5 V穩(wěn)壓器（帶散熱器）。該板還包括狀態(tài) LED、RESET按鈕、串行數(shù)據(jù)下載按鈕和一些無(wú)源元件。

使用PC軟件模擬系統(tǒng)的其余部分，圖7顯示了不同級(jí)別的系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的響應(yīng)，并演示了積分項(xiàng)的重要性。

圖7.積分項(xiàng)的三個(gè)設(shè)置的比例積分 （P-I） 控制。請(qǐng)注意KI = 0時(shí)從1.0的偏移，KI = 2000的輕微阻尼振蕩趨勢(shì)，KI = 550時(shí)振蕩幾乎消除。

使用全PID環(huán)路實(shí)現(xiàn)時(shí)，整體系統(tǒng)階躍響應(yīng)的改善如圖8所示。響應(yīng)快速、準(zhǔn)確且有阻尼，沒(méi)有偏移、振蕩或過(guò)沖。

圖8.比例-積分-微分 （PID） 控制響應(yīng)。

審核編輯：郭婷