基于工業(yè)模型的新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于工業(yè)模型的新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王倩,蔣念平

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要基于Matlab仿真的傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),不僅缺少實(shí)際控制對(duì)象,且存在一定的抽象性。為了完善該系統(tǒng),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于工業(yè)模型的新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在原有仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,增加了工業(yè)電機(jī)控制模型,并以LPC2114為核心處理器,L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)控制系統(tǒng),通過Matlab編程進(jìn)行PID實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)不僅保留了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,更能體現(xiàn)出PID參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響,展現(xiàn)了PID的工業(yè)控制效果,提高PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直觀性。

關(guān)鍵詞PID;電機(jī);ARM;Matlab;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

收稿日期:2015-04-19

作者簡介:王倩(1990—),女,碩士研究生。研究方向:嵌入式控制系統(tǒng)。E-mail:Jainstcwq@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.037

中圖分類號(hào)TM571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

A New PID Experimental System Based on Industrial Model

WANG Qian,JIANG Nianping

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractTraditional PID experimental systems based on Matlab simulation are not only short of actual control objection but also abstract.This paper designs and implements a new PID experimental system based on the industrial model.The industrial motor control model is added to the original simulation with LPC2114 as the core processor and L298N for the DC motor control system of motor driven.PID real-time control is performed by Matlab programming.The experiment proves that the system reflects the influence of PID parameter changes on the system and the effect of PID industrial control while retaining the accuracy of the Matlab simulation experiment,and improves the visibility of PID experimental system.

KeywordsPID;motor;ARM;Matlab;experiment system

PID控制器作為最通用的控制策略,不僅在工業(yè)過程中應(yīng)用廣泛,也深入到自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中。在傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)中,通常是先給出PID的控制規(guī)律,然后以一個(gè)自定義的系統(tǒng)傳遞函數(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文采用一種簡單直觀的方法來進(jìn)行PID實(shí)驗(yàn),以真實(shí)的電機(jī)控制模型為對(duì)象,結(jié)合Matlab編程進(jìn)行PID實(shí)時(shí)控制[1],可通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)親自體驗(yàn)PID的工業(yè)控制,以及準(zhǔn)確直觀地認(rèn)識(shí)PID參數(shù)變化對(duì)控制的影響。由于ARM[2-3]芯片具有性能高、成本低、功耗小等特點(diǎn),本文系統(tǒng)中采用ARM7處理器(LPC2114)作為系統(tǒng)的采集控制單元,以此設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的硬件電路。且由于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及編程簡單等特點(diǎn),該系統(tǒng)采用Matlab編寫上位機(jī)來進(jìn)行PID實(shí)時(shí)控制,并通過Proteus仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電機(jī)采集控制板和算法上位機(jī)組成。利用電機(jī)采集控制板對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集以及對(duì)PWM[4]進(jìn)行控制,并將采集到的轉(zhuǎn)速反饋至算法上位機(jī),由上位機(jī)的PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。電機(jī)采集控制板負(fù)責(zé)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及與上位機(jī)的通信,而算法上位機(jī)負(fù)責(zé)電機(jī)控制策略。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是在Proteus仿真下進(jìn)行的,主要由電機(jī)[5]驅(qū)動(dòng)、電機(jī)速度采集以及通信3部分組成。控制芯片選用NXP的LPC2114,驅(qū)動(dòng)芯片選用成熟的L298N,采集部分則是直接使用Proteus中自帶速率信號(hào)的Moto-encoder部件。

2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由LPC2114和L298N實(shí)現(xiàn)。LPC2114是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7 TDMI-SCPU的微控制器,并帶有256 kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器、128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu),使得32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行,且可使用16位Thumb模式。LPC2114支持多種通信接口,包括UART、SPI等串行接口及PWM輸出接口。

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是:工作電壓高,最高工作電壓可達(dá)46 V;輸出電流大,瞬間峰值電流可達(dá)3 A,持續(xù)工作電流為2 A;額定功率為25 W,內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器,可用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端。

該系統(tǒng)中的LPC2114芯片[6]引腳P0.8、P0.9的復(fù)用功能分別為PWM4通道和PWM6通道,將這兩個(gè)引腳分別連接L298N的IN1、IN2引腳。再將L298N的ENA驅(qū)動(dòng)使能引腳默認(rèn)拉高,VSS接入12 V的驅(qū)動(dòng)電壓,電機(jī)可根據(jù)PWM波形進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)PWM6波形的占空比為0%時(shí),電機(jī)速度將隨著PWM4的占空比增大而加快以實(shí)現(xiàn)正向運(yùn)轉(zhuǎn),反之則電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2速度采集

速率采集使用了Proteus中自帶速率編碼器信號(hào)的Moto-encoder部件,如圖2所示。其中CAP為編碼器信號(hào)輸出腳,根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速采集。電機(jī)的仿真參數(shù)為:電壓(Nominal Voltage)為12 V;線圈電阻(Coil Resistance)為5 Ω;線圈電感(Coil Inductance)為100 mH;零負(fù)載轉(zhuǎn)速(Zero Load RPM)為45 r·min-1;負(fù)荷扭矩(Load Torque)為50%;效率損耗(Effective Mass)為0.01%;每轉(zhuǎn)脈沖(Pulses per Revolution)為24 Hz。由于設(shè)定負(fù)載扭矩為50,所以在額定電壓12 V的驅(qū)動(dòng)下,轉(zhuǎn)速最大僅有219 r·min-1。

圖2　Moto-encoder部件

2.3串口通信硬件電路

該系統(tǒng)串口通信采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn),其硬件電路如圖3所示。圖中MAX232的管腳T1IN和R2OUT分別連接LPC2114的管腳P0.0和P0.1。由于軟件仿真存在著一定的限制,所以將其速率設(shè)為38 400 bit·s-1,但對(duì)于該系統(tǒng)來說已完全滿足通信速率的要求。

圖3　串口通信電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為電機(jī)采集控制下位機(jī)和算法上位機(jī)兩部分。

3.1電機(jī)采集控制下位機(jī)

電機(jī)采集控制下位機(jī)的主要功能是電機(jī)的控制、速率的采集換算以及與算法上位機(jī)之間的通信,下位機(jī)軟件框架如圖4所示。由于該系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),所以下位機(jī)需要具有響應(yīng)快,執(zhí)行快等特點(diǎn),因此復(fù)雜算法設(shè)計(jì)方面將交由上位機(jī)進(jìn)行處理,下位機(jī)則以更為精確的方式去控制電機(jī)和采集速率,這樣才能達(dá)到精確的實(shí)驗(yàn)效果。為縮短下位機(jī)的響應(yīng)時(shí)間,以及加快執(zhí)行速度,該系統(tǒng)采用中斷方式來處理電機(jī)速率的采集和串口通信。

圖4　下位機(jī)軟件框架

3.2算法上位機(jī)

算法上位機(jī)的用戶界面[7]是由Matlab編寫而成,其主要的工作過程為:電機(jī)控制采集部分將電機(jī)的狀態(tài)信息傳遞給算法上位機(jī),然后由上位機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算給出PWM的調(diào)控值進(jìn)行控制。

4實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)PID控制器中的kp參數(shù)值過大時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)隨之加快,系統(tǒng)超調(diào)也隨之增加。

本文采用一個(gè)3階系統(tǒng)函數(shù)作為實(shí)驗(yàn)函數(shù),且對(duì)該系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行kp偏大的控制操作。系統(tǒng)函數(shù)為

(1)

該3階系統(tǒng)函數(shù)的Matlab仿真[8-9]程序如下

G=tf (1,conv(conv([1,1],[2,1]),[5,1]));

kp=3.0;

Fori=1:5

G=feedback (Kp(i)*G,1);

Step (G);

Hold on

end

利用傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真,所得出的仿真圖形如圖5所示。

圖5　傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真圖

然后再利用本文中的新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制,將算法上位機(jī)中的比例參數(shù)明顯加大,然后進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),由于仿真系統(tǒng)頻率有限,所以圖形有一小部分為折線段,在以后的學(xué)習(xí)研究中,就此問題做進(jìn)一步改善,所得結(jié)果如圖6所示。

圖6　本文系統(tǒng)仿真圖

通過圖5和圖6所示可得出,傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得出的圖形與本文新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得出的圖形大致相同,即該系統(tǒng)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)得出PID控制器3個(gè)參數(shù)的特性,且該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是真實(shí)、實(shí)時(shí)控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其不僅保留了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,更能真實(shí)地感受電機(jī)由于PID超調(diào)帶來的增減速變化,且展現(xiàn)了PID的工業(yè)控制效果,提高了PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直觀性。此外,文中可通過Proteus軟件直觀地查看PWM波形[10]占空比變化,如圖7所示。

圖7　PWM波形占空比變化圖

5結(jié)束語

在傳統(tǒng)PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,文中主要通過一個(gè)自定義的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行Matlab仿真來得出PID控制器理論,該方法不僅缺少實(shí)際的控制對(duì)象,且存在一定的抽象性。本文針對(duì)這一缺點(diǎn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于工業(yè)模型的新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)是采用LPC2114的電機(jī)采集控制模塊和Matlab算法上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。本文利用新型PID實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)Matlab仿真無異,同樣可得出PID控制參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。不僅如此,該系統(tǒng)還展現(xiàn)出了PID的工業(yè)控制效果,真實(shí)地表現(xiàn)出工業(yè)電機(jī)的增減速變化,提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直觀性。另外,該系統(tǒng)還可擴(kuò)展出更多工業(yè)控制模型,使該系統(tǒng)更具實(shí)用價(jià)值。

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