基于DSP的PID控制算法的研究

寇潔

摘要：隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)得以飛速發(fā)展，DSP憑借其高效的實(shí)時(shí)性使得其在數(shù)據(jù)信號(hào)處理方面應(yīng)用有著廣泛的。PID控制算法要求控制器具有快速運(yùn)算、快速響應(yīng)的能力，單片機(jī)在這方面處理能力遠(yuǎn)不如DSP。本文將PID控制算法和DSP技術(shù)相結(jié)合，詳細(xì)闡述了基于DSP的PID控制算法，為PID控制算法在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Abstract： With the continuous advancement of computers and information technology， digital signal processor （DSP） technology has been developing rapidly. With its efficient real-time nature， DSP has a wide range of applications in data signal processing. The PID control algorithm requires the controller to have fast computing and fast response capabilities， and the processing capability of the single-chip microcomputer is far inferior to that of the DSP. This paper combines PID control algorithm with DSP technology， expounds the PID control algorithm based on DSP in detail， and lays the foundation for the application of PID control algorithm in practical engineering.

關(guān)鍵詞：DSP;PID;控制算法

0? 引言

比例、積分、微分控制，又稱(chēng)PID控制[1]，PID控制憑借其穩(wěn)定性好、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。PID控制可解決實(shí)際控制系統(tǒng)中往往無(wú)法獲取被控對(duì)象結(jié)構(gòu)、參數(shù)或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型這一問(wèn)題。即當(dāng)我們不完全了解控制系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器的原理就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，合理選擇比例、積分、微分參數(shù)，計(jì)算出控制量并進(jìn)行控制[2]。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP技術(shù)得以飛速發(fā)展，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高速運(yùn)行速度，較高的品質(zhì)和抗干擾性能，DSP可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能。目前DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，在各行各業(yè)都具有很廣的應(yīng)用前景[3]。

因此將PID控制算法和DSP相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于DSP的PID控制算法的研究具有非常重要的意義。

1? PID 控制算法

1.1 PID控制算法的基本概念

PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其中，r（t）為PID控制期望值值，u（t）為PID控制輸出值，c（t）為系統(tǒng)反饋值，e（t）為系統(tǒng)偏差值，e（t）=r（t）-u（t）。

比例控制，即P，其輸出為e（t）乘以一個(gè)常數(shù)。

積分控制，即I，其輸出為對(duì)e（t）進(jìn)行積分運(yùn)算。

微分控制，即D，其輸出為e（t）進(jìn)行微分運(yùn)算。

從圖1可以看出，PID控制算法實(shí)際上是將期望值與測(cè)量反饋值進(jìn)行比較，得到的偏差經(jīng)過(guò)P、I、D這些控制環(huán)節(jié)形成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

1.2 模擬PID控制算法

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律為模擬PID控制，模擬PID控制規(guī)律的表達(dá)式如下式所示：

其中kp為比例環(huán)節(jié)系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);具體說(shuō)明如下式所示：

1.3 數(shù)字PID控制算法

計(jì)算機(jī)只能處理離散量，不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)控制，由于這一特點(diǎn)實(shí)際工程中需要對(duì)模擬PID控制算法進(jìn)行離散化處理，形成數(shù)字PID 控制算法，具體如下式所示：

2? 基于DSP的PID控制算法

2.1 DSP簡(jiǎn)介

研究中系統(tǒng)微處理器采用TI公司的高性能32位浮點(diǎn)DSP：TMS320C6713。其主頻最高可達(dá)225MHz，提供每秒高達(dá)13.5億萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算，每秒執(zhí)行18.00億指令。TMS320C6713芯片內(nèi)核是Veloci TI結(jié)構(gòu)，可在8個(gè)功能單元內(nèi)同時(shí)處理8條32位指令。控制算法對(duì)算法的快速性要求較高，所選用TMS320C6713作為處理器，能夠滿(mǎn)足算法對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求[5]。

系統(tǒng)的存儲(chǔ)部分包括192K的片內(nèi)RAM和64M的片外SDRAM。其中片內(nèi)RAM地址范圍為00000000-0002FFFF。DSP訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器必須通過(guò)EMIF，TMS320C6713將整個(gè)外部空間容量為64M分為4個(gè)空間CE0～CE3，每個(gè)CE空間彼此獨(dú)立，可以進(jìn)行不同的訪(fǎng)問(wèn)控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖2所示，一次完整的PID控制算法流程圖如圖3所示[6][7]。

3? 結(jié)論

本文將PID控制算法和DSP相結(jié)合，進(jìn)行了基于DSP的PID控制算法研究，詳細(xì)闡述了PID控制原理、基于DSP的PID控制算法軟件設(shè)計(jì)。為PID算法在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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