PID控制是最常的控制策略,，在工業(yè)過程控制中90%以上的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。PID控制之所以被廣泛應用主要是因為它算法簡單,，在實際中容易被理解和實現(xiàn),，而且許多高級控制都以PID控制為基礎。但是由于環(huán)境的變化,，使被控對象具有時變性,，參數(shù)經(jīng)過一段時間以后會出現(xiàn)性能欠佳、適應性變差,、控制效果下降等情況,。因此，尋求參數(shù)自動整定技術,，以適應復雜工況及高性能指標的控制要求,，是實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制的重要手段，具有重大的工程實踐意義,。
1 自整定過程原理
本文主要研究了一種手持式的PID參數(shù)整定儀器,，此整定儀具有整定單變量和雙變量的雙重功能，控制系統(tǒng)主要采用低能耗的MSP430微控制器,，軟件部分采用的軟件開發(fā)平臺是IAR MSP430 V3.42A,。
PID參數(shù)整定儀的實現(xiàn)不僅能夠簡化過程控制工程師的工作量，而且能夠改善整個PID控制領域的控制性能,，在能源日益緊張的今天,，對于節(jié)約能源起到非常重大的作用。自整定過程如圖1所示,。其中過程1與過程2是兩個具有耦合的過程,。
具體過程為：整定儀提取過程的輸入輸出信號，然后通過過程模型計算部分計算出過程模型，將過程模型參數(shù)送給整定儀的算法整定部分,，根據(jù)過程模型參數(shù)如果判斷系統(tǒng)為單變量系統(tǒng)則采用幅值相位裕度法對其進行整定,，如果為雙變量則采用RGA失調(diào)因子法對其進行整定，最后將整定的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上,。
關鍵字：MSP430單片機 PID參數(shù)整定義
2 PID參數(shù)整定儀的功能分析
本文研制的便攜式PID參數(shù)整定儀主要具備如下功能：
(1)模擬信號輸入,。能夠采樣接入標準的4～20mA電流信號，方便信號的處理,。今后在此基礎上可以進行擴展,，從而使其能夠接收更多的標準信號。
(2)模型辨識部分,。設系統(tǒng)模型為二階加滯后模型,，采用基于頻域的模型便是算法辨識出系統(tǒng)模型。
(3)PID參數(shù)的計算,。根據(jù)辨識的模型,，運用幅值相位裕度法與RGA失調(diào)因子法完成。
對PID控制器的自整定算法;其中幅值相位裕度法整定公式為：
其中T為時間常數(shù),，Am為幅值裕度，φm為相位裕度,。通常情況下一般取Am≥2,，φm=30～60°。
RGA失調(diào)因子法整定公式為：
(4)人機交互接口,。能通過鍵盤進行參數(shù)的設置,、修改，并且能夠?qū)崟r信息以及整定的結(jié)果等通過LCD顯示,。
這些功能組合構(gòu)成了便攜式的PID參數(shù)自整定器,。
3 PID參數(shù)整定儀的硬件電路設計
多變量便攜式PID參數(shù)整定儀由于其可以隨身攜帶，所以我們采用3.3V電池對其供電,。這就要求裝置盡量保持低功耗以延長電池壽命,，MSP430單片機正是由于其低功耗而被廣泛采用，因此選擇MSP430F169作為PID參數(shù)整定儀的控制器,。
MSP430F169具體特性如下：
(1)低工作電壓范圍：1.8～3.6V;
(2)超低功耗,，五種省電模式;
(3)從待機模式喚醒6μs;
(4)3通道DMA，12-Bit A/D轉(zhuǎn)換器,，雙12-Bit D/A同步轉(zhuǎn)換器;
(5)串行通訊接口(USART0),，功能如異步UART或同步SPI或I2C;
(6)串行通訊接口(USART1)，功能如異步UART或同步SPI;
(7)具有可編程電平檢測的供電電壓管理器/監(jiān)控器;
(8)串行在線編程,，無需外部編程電壓,，可編程的安全熔絲代碼保護;
(9)MSP430F169.60KB+256B Flash Memory，2KBRAM;
本整定儀適用于任何過程而不用管其暫態(tài)類型。根據(jù)PID參數(shù)整定原理和功能,，系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,，圖3給出了4～20mA電流輸入的AD調(diào)理電路圖。
關鍵字：MSP430單片機 PID參數(shù)整定義
4 PID參數(shù)整定儀的軟件設計
4.1 PID參數(shù)整定儀主要程序模塊
在工程實際應用中,，不僅需要完成硬件的相關設計與測試,，還必須根據(jù)需要進行軟件的設計和調(diào)試工作，所以在設計出符合要求的硬件電路的基礎上,，還要進行軟件系統(tǒng)的設計和調(diào)試,。本控制器軟件部分主要包括以下程序模塊。
(1)系統(tǒng)的初始程序模塊,。用來進行系統(tǒng)的初始化,，包括設定初始狀態(tài)值和參數(shù)，確定A/D初始工作參數(shù),，檢測主電路是否上電和是否允許系統(tǒng)啟動運行等等,。
(2)鍵盤掃描程序模塊。讀取鍵盤輸入值,，包括PID初始設定值,、系統(tǒng)設定值及采樣時間等等。
(3)采樣程序模塊,。用來對信號進行采樣,，采樣過程要進行濾波，減少噪聲干擾對采樣數(shù)據(jù)的影響,，最后檢測采集的數(shù)據(jù)是否包含了對象足夠多的信息,，清除不合格的采樣數(shù)據(jù)，保證所采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量,。
(4)模型辨識模塊,。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)采用相關系數(shù)辨識法辨識出系統(tǒng)的數(shù)學模型，使辨識的模型與原模型有較好的線性相關度,。
(5)參數(shù)整定模塊,。根據(jù)辨識出的系統(tǒng)模型采用相關的整定算法計算出新的PID參數(shù)值。
(6)LCD模塊,。將相關的數(shù)據(jù),，像設定值、整定模式以及PID的參數(shù)值等,，顯示在液晶屏上,。
整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
上面模塊還要進行詳細劃分,，每個模塊之間的耦合很少,，這樣就可以獨立編程,、調(diào)試，提高了軟件開發(fā)的模塊性,。
4.2 PID參數(shù)整定儀的總體工作流程
圖5是自整定控制器的工作流程圖,，用戶輸入設定值，然后對過程的輸入量u和輸出量y進行采樣,。對采樣的數(shù)據(jù)進行處理,，并計算出最佳的PID參數(shù)整定值。整定具體過程如下：
(1)通過控制面板設定采樣時間及設定值以進行采樣,。
(2)將采集的數(shù)據(jù)處理后得到辨識所需要的10～20個點,。
(3)運用基于頻域的模型辨識算法對系統(tǒng)進行辨識，得到系統(tǒng)的模型,。
(4)根據(jù)模型采用相應的辨識算法計算PID參數(shù)值,。
(5)在LCD上顯示新的PID參數(shù)。
5 小結(jié)
介紹了本參數(shù)整定儀的各功能模塊,，并且進行了硬件及軟件設計,。此整定儀集單變量和雙變量整定功能于一身，適合于任何使用PID控制器的場合,，不過只有在過程獲得平衡狀態(tài)時辨識方法才可使用,。此整定儀整定出的PID參數(shù)在LCD上顯示。工作人員只需將整定出的新參數(shù)在系統(tǒng)中進行設置,。此過程簡單實用,，方便工作人員操作，并且由于設計小巧,，便于工作人員隨身攜帶。