PID算法在測量儀表中的應(yīng)用

萬 李 戴振華

（湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425100）

PID算法在測量儀表中的應(yīng)用

萬 李 戴振華

（湖南科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程系，湖南 永州 425100）

本文介紹了一種測量儀表的設(shè)計(jì)方法。采用PID(比例積分微分)算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)程控電流源，實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制，提高程控電流源的設(shè)計(jì)精度和調(diào)整精度。

程控電流源；PID算法；單片機(jī)

引 言

電流源在測量儀表中有著廣泛的應(yīng)用，關(guān)于程控電流源的設(shè)計(jì)，有很多文章提出了它的設(shè)計(jì)思想。在這些設(shè)計(jì)思想中，一般都是采用開環(huán)電路，即利用微處理器作控制電路，D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 程控電流源開環(huán)電路

這種實(shí)現(xiàn)方法是一種開環(huán)方式，為了便于電流的調(diào)節(jié)和設(shè)定，實(shí)際的電流源采用壓控變換電路來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整輸入電壓手動調(diào)節(jié)輸出電流的大小。但電流的 輸出效果系統(tǒng)并不知道，這樣造成電流的輸出精度不高，在需要高精度的電流輸出時達(dá)不到要求。為此，在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，給電路加上反饋電路，軟件上利用PID算法實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用 89C52單片機(jī)將被預(yù)置的電流值通過換算由MAX538進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，進(jìn)行電壓輸出，并驅(qū)動V/I轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電流輸出,同時將該電流值對應(yīng)的電壓通過閉環(huán)回路，經(jīng)過信號處理電路，利用MAX187進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)通過 PID算法調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動顯示電路顯示當(dāng)前電流值。具體電路如圖2所示。

圖2 程控電流源原理圖

2 PID控制算法

以上電路的設(shè)計(jì)將實(shí)際電流值反饋給單片機(jī)，使得整個電路構(gòu)成了一個閉環(huán)，為PID算法提供了硬件基礎(chǔ)。PID控制是很早就發(fā)展起來的控制策略。PID控制由于算法簡單、可靠性高、魯棒性好，被廣泛應(yīng)用于過程控制。該系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示，主要完成四個功能：一是系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口芯片的初始化和電流起始值的初始化；二是鍵盤檢測和串口檢測，鍵盤檢測包括電流的預(yù)置與步進(jìn)調(diào)整。串口檢測采用中斷方式檢測串口地址是否有PC機(jī)發(fā)過來的控制信號，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)控制電流輸出；三是實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換和AD轉(zhuǎn)換；四是利用PID算法進(jìn)行電流調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制。

圖3 軟件流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和管理。實(shí)現(xiàn)量程選擇、輸出預(yù)置、輸出調(diào)整等功能。在本系統(tǒng)中，我們采用離散增量 PID算法，具體控制過程為：單片機(jī)經(jīng)A/D芯片讀出實(shí)際輸出電流Ik，然后和設(shè)定電流IS，相比較，得出差值Ek=IS-Ik，單片機(jī)根據(jù)Ek的正負(fù)大小，調(diào)用PID公式，計(jì)算出本次電流調(diào)節(jié)的增量ΔIk，然后根據(jù)前一次D/A芯片輸出電流Iq-1，計(jì)算出本次電流輸出Iq。離散增量PID的計(jì)算公式為：

ΔIk= KP[(EK–EK-1) + KIEK+ KD(EK–2EK-1+EK-2)]

= KP(EK–EK-1) + KˊIEK+KˊD(EK–2EK-1+EK-2)

其中 KˊI= KP* KI，KˊD= KP* KD，EK為本次采樣時刻的電流誤差，EK-1為上次采樣電流誤差，EK-2為再上次采樣電流誤差值。根據(jù)此公式編制出PID算法程序如圖4所示。

圖4 PID算法子程序流程圖

使用 PID算法能否達(dá)到設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在于調(diào)整好三個關(guān)鍵參數(shù)：KP比例系數(shù)、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD。各個參數(shù)的取值大小分別對系統(tǒng)的性能有不同的影響。下面加以說明。

（1）比例系數(shù)KP對系統(tǒng)的影響：比例系數(shù)KP加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)定誤差減??；KP偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；KP太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；KP太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。

（2）積分系數(shù)KI對系統(tǒng)的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI小，積分作用強(qiáng)，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。

（3）微分系數(shù)KD對系統(tǒng)的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，KD偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短；KD偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；只有KD合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。

采用12位的D/A和A/D轉(zhuǎn)換芯片確保調(diào)整精度。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，確定KP=0.5，KI=0.05，KD=0.7。研制出的程控電流源的性能指標(biāo)為：量程0~3A，電流調(diào)整精度<1mA，誤差<0.1%，穩(wěn)定時間<4s。若采用14位或16位的D/A和A/D轉(zhuǎn)換芯片可進(jìn)一步提高調(diào)整精度。

3 結(jié)束語

加上反饋電路的閉環(huán)程控電流源系統(tǒng)，利用PID算法，使電流輸出精度高，反映速度快，通過串行通訊口連接PC機(jī)器或系統(tǒng)自帶鍵盤的控制，可根據(jù)需要隨意設(shè)定電流，使測量儀表的功能更加完善和強(qiáng)大。

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The Application of PID Algorithm in Measure Instrument

WAN Li，DAI Zhen-hua
（Dept. of Computer and Communication Engineering, Hunan University of Science and Engineering, YongZhou 425000 China）

This paper introduces the design of measure instrument. The intelligent current source with closed loop uses PID algorithm to realize the accuracy control of output current, enhances the design precision and the adjustment precision of the program control current supply.

Intelligent current source; PID algorithm; Single chip

TP399

A

1673-2219（2010）12-0084-02

2010－06－02

湖南科技學(xué)院校級課題（09XKYTC012）。

萬李（1983－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與電子測量監(jiān)控。

（責(zé)任編校：何俊華）