摘要：PID控制器是工業(yè)中應用最為廣泛的控制器，實際工程中PID參數(shù)整定問題一直是困擾技術人員的問題之一，也一直是人們研究的熱點。本文應用RGA失調因子法對基于MSP430單片機的便攜式PID參數(shù)整定儀進行整定。并對便攜式PID參數(shù)整定儀進行了功能分析，以MSP430 F169為核心控制單元完成了系統(tǒng)的軟硬件設計。
關鍵詞：PID控制；參數(shù)整定；MSP430單片機
0 引言
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結構。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失調因子法對其進行整定，最后將整定的結果顯示在LCD顯示屏上。
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，并且能夠將實時信息以及整定的結果等通過LCD顯示。
這些功能組合構成了便攜式的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轉換器，雙12-Bit D／A同步轉換器；
(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調理電路圖。
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)的程序結構框圖如圖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
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。