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类型基于ARM的智能PID控制系统.pdf

  • 上传人:精品资料
  • 文档编号:11111953
  • 上传时间:2020-02-07
  • 格式:PDF
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    基于ARM的智能PID控制系统.pdf
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    1、北京交通大学硕士学位论文基于ARM的智能PID控制系统姓名:郑飞申请学位级别:硕士专业:电气工程指导教师:姜学东20090601中文摘要中文摘要摘要:比例积分微分(PID)是过程控制中最常用的一种控制算法。算法简单而且容易理解,应用十分广泛。但由于应用领域的不同,功能上差别很大,系统的控制要求及关心的控制对象也不相同。数字PID控制比连续PID控制更为优越,因为计算机程序的灵活性,很容易克服连续PID控制中存在的问题,经修正而得到更完善的数字PID算法。本文以三相全控整流桥阻性负载为实际电路,控制主电路电压,旨在提出一种智能数字PID控制系统的设计思路,并给出了详细的硬件设计及初步软件设计思路

    2、。PID控制系统采用高性能、低功耗的ARM微处理器$3C4480作为核心处理单元,内部的10位ADC作为信号采集模块,采用了矩阵键盘和640*480的液晶作为人机接口;串口作为通信模块实现了上位机的监控。采用芯片内部自带的PWM模块,输出16M Hz PWM信号并经过一阶低通滤波器得到05V的控制信号用于触发主电路控制器,实现PID整定。软件方面,分析和研究了uCOS II的内核源码,实现了其在32位微处理器上的移植,作为管理各个子程序执行的系统软件。选用了图形处理软件uCGUI用于完成LCD显示及控制。PID算法采用了增量式数字PID算法,采用规化算法进行参数选取。上位机部分采用了C样语言进

    3、行编写。另外,采用了RTC(Real TimeClock)作为系统时钟,可以实现系统的定时运行、定时模式切换等。在上位机上也可以方便的控制程序的执行,实现远程监控。在论文的最后详细的介绍了智能PID控制系统在三相全控桥主电路中的具体应用。总结了调试中遇到的问题,对今后工作中需要进一步改善和探索的地方进行了展望。关键词:PID控N;ARM;uCOS分类号:TP216+1;TM93473;TM932北京交通大学硕士学位论文AB STRACTABSTRACT:The PD controI iS the most common control algorithmBecause of itsrelati

    4、vely simple structure which can easily be understood and implemented inpractice,is widely applied in industryHowever,there ale many different applications、)Iritll different performance requirements,and the controlled objectThe purpose of thispaper is to present the design of a intelligent PID contro

    5、l system,detailed information ofboth hardware and software is containedAnd it is applied in three-phase full bridgecircuit and proved excellent performance, and there is a large space of furtherapplicationThe hardware of the intelligent PID controller uses the ARM core S3C44BOX as theCPUI,O module c

    6、ontains 4幸4 matrix keyboards and 640木480 LCD and UART,thesignal is sampled by the internal 1 0 bits ADC module of the CPUThe PWM is used勰the output function叽5v control signal is obtained by low pass filter and it is connectedto the trigger module of the main circuitTl地embedded real time operating ke

    7、rnel uCOS II is adopted as the main part of thesystem software,the GUI softwale package is used to manage input and output,theincremental PID algorithm is selected for calculation111e uCOS II manages therunning of each task,and uCGUI is responsible for LCD display and keyboardsscanningThe PC end sof

    8、tware is designed using C撑RTC is adopted as system clock,tasks can start at specific time or shift mode,the PC end soW,vale can be used tomonitor the state of the hardware systemIn the last,this paper discuss the application of this system in three-phase full bridgecircuit is presented with detailed

    9、 debugging trouble shooting1(EYWoRDS:PID control;ARM;uCOSCLASSNO:TP216+1:TM93473;田M932北京交通大学硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:街够 签字日期:k矽夕年月衫日北京交通大学硕士学位论文学位论文版权使用授权

    10、书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 琦砂 导师签名:学位论文作者签名: 乒f诊 导师签名:签字日期:呻年莎月形日 签字日期:眇椭易氏7年月磊北京交通大学硕士学位论文致谢本论文的工作是在我的导师姜学东教授的悉心指导下完成的,姜学东教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢姜学东老师对我的关心和指导。姜

    11、学东教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见。在此向姜学东老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间,邱瑞昌老师,荆龙老师,王爱国、王朝宁等同学对我论文研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。感谢母校给了我学习和成长的机会,感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的各位专家们,衷心感谢你们对本论文提出的宝贵意见。谢谢!绪论11 课题背景与意义1绪论PID控制算法是最通用的控制策略,在工业过程控制中95以上的控制回路具有PI

    12、D结构,算法简单。传统的PID整定方法是在获取对象数学模型的基础上,根据某一整定原则来确定PID参数,只要对象数学模型精确,且是非时变的,其整定的参数可以固定不变,控制效果一般能满足要求。然而在实际的过程控制系统中,许多被控过程机理较复杂,具有严重非线性,时变不确定性、大延迟等特点,在噪声,负载扰动等因素的影响下,过程参数,甚至模型结构,均会发生变化,难以建立精确的数学模型。因此,若采用常规PID参数整定方法,往往整定不良,性能欠佳,对运行工况的适应性较差,控制效果不理想。因此,针对那些非线性,大时变,大延迟等被控对象,不仅要求PID参数的整定不依赖于对象数学模型,而且要求PID参数能在线调整

    13、,以满足控制要求。所以设计一种智能的PID控制系统,以适应复杂工况和高性能的控制要求,具有十分重要的意义。数字PID技术是针对模拟PID的缺点而提出的新的控制策略,它主要通过给定值及采集的反馈信号计算出输出控制量的值,以实现闭环控制。与模拟PID控制相比,数字PID具有参数灵活,工作可靠等优点,但是要实现非常精确的控制,就需要处理器具有较快的速度,强大的计算能力,并且要求反馈信号采集及控制信号输出具有较高的分辨率。ARM是一种典型的嵌入式微控制器,性能高、成本低、功耗小,适合于多种领域。ARM结构是基于精简指令集(RISC)原理而设计的,能实现较高的指令吞吐量,出色的实时中断响应,并且能够支持

    14、Linux、Windows CE等操作系统。本设计中所采用的S3C44BOX是三星公司推出的ARM7内核处理器,软件上采用了嵌入式操作系统uCOS II,它具有强大的管理功能,并且是一个实时操作系统(RTOS),可以满足系统高精度和快速响应的要求。移植了GUI软件包,实现功能强大的显示。因此,针对各种工业过程控制的实际需要,寻求适合于实际问题的PID参数整定算法,然后利用合适的微处理器实现,提出一种智能PID控制系统解决方案,可以应用于多种场合,具用重要的理论意义和使用价值。本次设计的控制对象为单变量系统,以三相全控桥式整流电路为实际应用,负载为电阻箱,控制主电路电压。智能控制系统采集回路电压

    15、,经运算输出PWM北京交通大学硕士学位论文波,滤波出O-5v的直流量控制6100驱动板,控制输出脉冲的移向范围从5度到175度可调,实现三相整流桥输出电压控制。采样时间为05ms,pWM波频率16Mhz,主电路电压控制精度25v,设定值不要超出主电路输出晟大值即可。超调量109仁11,调节时间8一15s。控制系统具备计时器和通信功能,可以保存整定参数,LCD屏幕显示,键盘式操作。12 PID控制系统设计思路1 2l系统的硬件架构从20世纪70年代单片机出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的太规模应用,嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。本次设计采用了标准的嵌入式系统的设计模式。嵌入式

    16、系统是一种基于微控制器、软件驱动的可靠实时控制系统,以人工的、自治的或者网络的方式进行交互,对各种物理变量进行操作。一般而占,嵌入式系统的构架如图11。硬件设计主要包括搭建基于S3C44BOX的最小系统,另一方面就是实现设计功能所需要的各种功能模块的硬件设计。完成了硬件设计之后,就可以进行编程,实现设计的功能了。 固匠外世备_+ 存储器? 处理器串打通fFig 1I Consisttofembedded system22系统的软件设计操作系统将应用分解成多个任务,简化了应用系统软件的设计:每个任务都绪论有独立的存储器分配,在控制多个设备的同时,执行多个函数的调度,任务之间可以共享存储器。操作系

    17、统最主要的功能是任务之间的调度,内部进程(任务)通信和对变量、队列和管道的共享,确保同一瞬间只有一个任务能够进入运行状态。RTOS使控制系统的实时性得到保证,可以接近理论上能达到的最好水平;良好的多任务设计,有助于提高系统的稳定性和可靠性。较常用的有Vxworks、WindosCE、uCOS、Linux等。之所以选择uCOS,因为对于小型实时操作系统来说,源代码公开的、具有很好的可移植性、可固化可裁剪、高稳定性与可靠性、抢占式多任务的uCOS非常适合学习。而且已应用在很多工业及军事领域,值得放心。uCGUI可以极大的简化应用程序的图形设计,uCGUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统。用于为任何

    18、使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口,它适用单任务或是多任务系统环境,并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。软件设计主要包括了uCOSII的移植以及基于uCOSII实时操作系统内核的程序设计,编程主要采用C语言。uCOSII多任务操作系统加上基于ARM7的硬件系统的强大功能,可以使得设计具有非常好的应用效果。设计中,包含了IIC读写任务(用于将数据保存在非易失性存储器)、串口通信任务(用于PC机管理,实现远程监控)、GUI任务(用于显示数据以及人机交互),多任务之间的通信采用了uCOSII中的邮箱机制,方便的实现了数据交换。控制策

    19、略采用了单闭环增量式数字PID,PID参数整定方法采用了简易工程法:规一化参数整定法。它是Roberts P D在1974年提出的一种简化扩充临界比例度整定法,该方法只需整定一个参数,故称其为规一化参数整定法。13 本文的主要研究内容如前所述,PID控制在工业过程中得到广泛的应用。然而,实际应用中,许多工业控制回路的整定效果都较差。因此寻求一个适应于多个场合的PID控制系统,实现PID参数整定具有重要的实际意义。归纳起来,论文做了以下工作。1基于ARM的智能控制系统的设计。论文第二章、第三章详细介绍了基于ARM的智能控制系统的设计。该系统根据对运算速度、功耗、存储容量等方面的要求,以高性能、低

    20、功耗的ARM微处理器作为核心处理单元,具有液晶显示、键盘输入等功能,针对被控对象,可以选择不同的整定方法进行PID参数的调节。2对实时操作系统的研究以及uCOS系统的移植。论文第三章详细分析了uCOS系统内核及其功能实现,针对智能控制系统模块化、通用化的要求,选择3北京交通大学硕士学位论文了实时操作系统ueOS,并成功的移植到了以ARM为内核的系统中。为实现控制系统的多任务自动调度以及以优先级来判断任务先后顺序的智能化打下了坚实的基础。3PID算法的研究,经过多种算法的比较选定了单闭环增量式数字PID。并以超调量和稳定时间为参数,提出了自动选定最优系数算法的软件设计思路。使得系统能够自动寻找最

    21、优PID控制参数。实现智能控制系统自整定控制的初步完成。4PID控制系统算法21 PID控制原理211原理2 PID控制系统算法在模拟控制系统中,根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制),是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。系统由模拟控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值“t)和实际输出值y(t)构成控制偏差,其控制规律为: ,rK y 7 uV 7似伍刖务一 I图2-1模拟PID控制系统Fig 2-1 Anolog PID control systeme(t)=r(t)一Y(t)啪=砗)+l乃弘t渺+乃掣】 0 ”或写成传递函数形式

    22、:(21)(2-2)D(s)2嵩2 KP(1+1乃+ros) (43) (2-3)也l引 ,式中Kp一比例系数;Ti一积分时间常数;Td一微分时间常数。简单来说,PID控制器各校正环节的作用如下:1比例环节及时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t),代表了变量随时间的变化率,偏差一旦产正,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。微分环节有助于减小超调,克服振荡。他加快了系统的动作速度,减小了调整时间。从而改善了系统的动态性能。Kp的加大会引起系统的不稳定。2积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时问常数Ti,Ti越大,积分作用越弱,反之则越强。积分作用太强会使系统超调

    23、加大,甚至使系统出现振荡。增大Ti会减慢消除静差的过程,但是可以减小超调,提高稳定性。5北京交通大学硕士学位论文3微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。能对变量的变化趋势作出响应。有助于减小超调,客服振荡,使系统趋于稳定。他加快了系统的动作速度,减小了调整时间,从而改善了系统的动态性能。过大的Td会使控制系统不稳定,一般小于l。212 PID参数整定概述PID控制系统,由于各个控制器参数有明显的物理意义,调整方便,所以其参数整定的方法很多,发展很快。随着控制理论的发展,出现了各种分支,

    24、如专家系统、模糊逻辑、神经网络、灰色系统理论等,派生出各种智能控制器,产生了新的PID参数整定方法。因此,智能PID控制系统以其参数整定方法是目前乃至今后的研究重点。P1D参数整定是指在控制器形式已经确定的情况下(P,PI和PID),针对一定的控制对象调整控制器参数(Kp,Ti,Td),从而达到控制要求。基本有四类整定方法:第一类是基于过程参数辨识的整定方法,即参数自适应PID控制器整定方法;第二类是基于被控过程的特征参数整定方法,又称为非参数自适应PID控制器整定方法;第三类是基于最优PID控制器设计参数整定方法;第四类是基于控制器本身偏差和偏差变化率的智能控制器参数整定方法。第一种方法需要

    25、通过某种辨识算法获得对象数学模型,然后根据其模型参数进行PID控制器参数整定。此方法在得到对象精确数学模型后,可采用解析方法确定PID控制器参数,而且控制效果好。但在工业上应用较为困难。第二种方法是基于被控过程的某些特征参数的整定方法。其设计思路是对于难以通过辨识方法建立精确数学模型的复杂过程,通过实验方法测得其阶跃响应、频率响应等于开环输出特性,从中找到反映对象特性的特征参数,然后根据其特征参数进行PID参数整定。这种方法在实际中被广为利用。第三种方法是基于最优PID控制器设计的参数整定方法。在不同准则下,提出PID控制最优整定的算法,在这方面,Zhuang和Atherton提出了最优准则的

    26、一般形式:m r- -t9以(口)=【l t“e(O,f)l出 (24)第四种方法是基于控制器本身偏差及其变化率的智能PID控制器参数整定方法。它是在常规PID控制策略中融入智能控制,能模拟人脑的思维,根据专家和操作者的经验对PID参数进行在线自整定,根据偏差和偏差变化率的大小,经过推理计算出PID参数,从而获得最佳控制策略。PID控制系统算法本次设计采用的是常用的Z-N法发展而来的,常规Ziegler-Nichols整定方法是Ziegler和Nichols于1942年提出的,基于受控过程的开环动态响应中的某些特征参数而进行的PID参数整定。其整定经验公式是基于带有延迟的一切惯性模型提出的,这

    27、种对象模型可表示为: ,G(加高P吨其中K放大系数; T惯性时间:L-延迟时间。实际控制过程中,将大量的模型近似为上述一阶模型,也可以通过实验获取临界震荡增益Kc和临界振荡角频率We,通过经验整定公式得到PID参数葛丽窆錾Kp Ti TdP 05l沁P1 04Kc 08TcPD 06Ke 05Tc 012Tc表2-1 Ziegler-Nichols整定公式Fig 2Ziegler-Nichols Modular formula _在连续控制系统中,比较常用的还是简易工程法,这种方法最大的优点在于整定参数时不必依赖被控对象的数字模型。虽然粗糙一点,但是简单易行,适于现场应用。 。PID参数的整定

    28、过程可以是离线进行也可以是在线进行。离线整定过程是通过实验方法测出系统的特征参数,然后根据这些参数设计一个合适的PID控制器,最后再将此控制器应用到原系统的控制中。当系统的参数发生变化是,则要再重复这一过程。在线整定即自整定的基本思想,是系统中设置两种模态;测试模态和调节模态。测试模态在线测定系统特征参数,并算出PID参数;调节模态由PID控制器对系统动态进行调节,如果系统测试发生变化,则重新进入测试模态进行测试,测试完成后再回到调节模态进行控制。213数字PID在选择数字PID参数之前,首先应该确定控制器结构。对允许有静差(或稳态误差)的系统,可以适当选择P或PD控制器,使稳态误差在允许的范

    29、围内。对必须消除稳态误差的系统,应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说,PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。本设计主要专注于嵌入式操作系统及GUI软件包在电力电子电路控制领域的试探性研究,因此选取了三相全控整流电路为试验平台,负载为阻性负载,基本符合PID控制要求。7北京交通大学硕士学位论文控制器结构确定后,即可开始选择参数。参数的选择,要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上,一般要求整个闭环系统是稳定的,对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪,超调量小:在不同干扰作用下,能保证被控量在给定值;当环境参数发生变化时,整个系统能保持稳定

    30、,等等。这些要求,对控制系统自身性能来说,有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求,兼顾其他方面,适当地折衷处理。PID控制器的参数整定,可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上,PID控制器的参数常常是通过实验来确定,通过试凑,或者通过实验经验公式来确定。本次设计采用了数字PID算法,这不是简单的把模拟PID控制规律数字化,而是要进一步的与计算机的逻辑判断功能相结合,是PID控制更加灵活,更能满足生产过程提出的要求。根据模拟PID控制规律,数字PID常用的有两种方式:位置型控制算法和增量型控制算法。位置型算法适用于控制调节阀之类表征执行机构的位置的控制对象。如果输出的控制量是相对于上次控制量

    31、的增加或减少,则增量式控制算法更为适用。PID参数的整定本次设计则是选用了在连续控制系统中常用的简易工程法,由经典的频率法简化而来。其中又可以分为扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。本设计选用的是一种简化的扩充临界比例度法。实验证明,数字PID算法简单,可靠,能够出色的完成任务。22 PID算法及参数自整定221数字PID参数整定在电子数字计算机直接数字控制系统中,PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号,必须经过采样和整量化后,变成数字量,方能进入计算机的存贮器和寄存器,而在数字计算机中的计算和处理,不论是积分还

    32、是微分,只能用数值计算去逼近。当采样周期相当短时,用求和代替积分,用差商代替微商,使PID算法离散化,将描述连续时间PID算法的微分方程,变为描述离散时间PID算法的差分方程。(1)数字PID位置型控制算法为了便于计算机实现,必须把式22变换成差分方程,为此可作如下近似t kIe(t)dt死(f) (25)PID控制系统算法de(t)e(k)-e(k-1)dt T(2-6)式中,T为采样周期,k为采样序号。由以上可得数字PID位置型控制算式为“(七)=KpP(七)+号害P(f)+乃!垦半】(27)式27是数字PID算法的非递推形式,称全量算法。算法中,为了求和,必须将系统偏差的全部过去值e(k

    33、)(k=1,2,3,k)都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出tl(k),是控制量的绝对数值。在控制系统中,这种控制量确定了执行机构的位置,例如在阀门控制中,这种算法的输出对应了阀门的位置(开度)。所以,将这种算法称为“位置算法。(2)数字PID增量型控制算法由式2-7可看出,位置型控制算法不够方便,这是因为要累加偏差e(k),不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编写程序。当执行机构需要的不是控制量的。k绝对值,而是控制量的增量(例如去驱动步进电动机)时,需要用PID的“增量算法“。为此可对式27进行改进。 ,根据式27可知u(k-1)的表达式为:“(k-1)=KpP(七一1)+吾芝砸)+亟

    34、坠尘掣】(28)上1 j盲O 1与式27相减得数字PID增量型控制算式为:鲻K裂e一(k:我毗K M铲2e(k_1)+e(k-2)】 (2-9)=“P(尼)一一1)】+K,e(后)+De(后)一 一1)+一2)】7其中K,=称为比例增益;K,=KP争称为积分系数;KD=KP1iD称为微分系数;为了编程方便,可将式2-9整理成如下形式au(k)=qoe(k)+9le(k一1)+92e(k一2) (210)其中:9北京交通大学硕士学位论文铲纵专+争,口l:一Ke(1+2T-D)q2=KP i“D图2-3则是本文PID算法的大体流程图,从式210已看不出是PID的表达式了,也看不出P、I、D作用的直

    35、接关系,只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式(210)看出,数字增量式PID算法,只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k1)、e(k2)就足够了。(3)图2-2介绍了自整定控制算法如何进行调整和操作。算法计算控制信号的输出值,具体实现细节参考了控制设计参考文档,即John FDorsey编著的(Continuousand Discrete Control Systems。图23数字PID增量型算法的流程图Fig 23 Incremental digital PID flow chartPID控制系统算法图2-2自适应控制算法模型Fig 2-2 auto self modified c

    36、ontrol model222数字PID的具体实现及改进1归一化参数整定法本设计采用的参数整定方法为1974年Robert PD提出的归一化参数整定法,已知增量型PID的控制公式为:Au(七)=K尸P(后)-e(k一1)+FT g(七)+争P(七)一2P(J|一1)+P(七一2)】)I 上如今令T=O1Tk;TI=05 Tk;TD=0125 Tk。式中Tk为纯比例作用下的临界振荡周期。则au(k)=K尸245e(k)一35e(k1)+125e(k一2)】这样,整个问题便简化为只要整定一个参数Kp。改变Kp,观察控制效果,直到满意为止。2采样周期的选择香农采样定理试图决定了采样周期。根据采样定理

    37、,采样周期应满足T三缈m缸q陇为被采样信号的上限角频率,k为采样周期的下限也就是计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间,系统的采样周期只能在乙;。和之间。采样周期T要合理选取,T太小增加计算机的负担,无法充分利用计算机的性能;T太大,两次采样间的偏差变换不够,数字控制器的输出值变换没有明显差异。因此T应该在L妯和k之间。北京交通大学硕士学位论文3 要想在控制性能上超过模拟调节器,要发挥计算机的优势:运算速度,编程灵活,逻辑判断性能好。因此在需要在本文在以下方面做出了改进。(1)积分项的改进在PID控制中,积分的作用是消除残差,为了提高控制性能,对积分项可采取以下4条改进措施a)积分分离当偏差

    38、e(k)较大时,选择取消积分作用;当偏差较小时才将积分作用投入,这样做可以避免产生较大的超调和长时间的波动。b)抗积分饱和因长时间出现偏差或偏差较大,计算出的控制量有可能溢出或小于零,而溢出就是指计算机运算得出的控制量超出了DA转换器所能表示的数值范围。防止积分饱和可以对输出的控制量限幅,同时把积分作用切除掉。c)提高运算精度增加AD转换位数,运算字长(2)微分项的改进a)不完全微分PID控制算法标准的PID控制算式,对具有高频扰动的生产过程,微分作用响应过于灵敏,容易引起控制过程的振荡,会降低调节品质。为了克服这一缺点,同时又要使微分作用产生应有的效果,可以在PID控制输出串联一阶惯性环节,

    39、这样可使微分作用作用于多个采样周期,且作用变弱,调节作用平缓。b)微分先行PID控制算法微分先行是指只对被控量y(t)微分,不对偏差e(t)微分,也就是说对给定值r(t)无微分作用。这样可以避免给定值升降给控制系统带来的冲击。而带死区的PID算法是指在计算机控制系统中,某些系统为了避免控制动作过于频繁造成的震荡而采取的一种措施。指定一个范围,当偏差绝对值f e(k)数据输入 “H”显示号 “H”时开显示,“L”时用PE0接反相逻辑逻LD “H“时打开,“L下。 31L78C64模块的接口信定义Tble 31 L7C64 moule interacedefinionLCD控制器外部接口信号的定义

    40、及其与LCD模块各信号之间的对系如VFRAME:LCD控制器与LCD驱动器之间的帧同步信号。该信号表CD北京交通大学硕士学位论文另外一帧开始了。LCD控制器在一个完整帧显示完成后,会马上插入一个VFRAME信号,开始新一帧的显示。该信号与LCD模块的YD信号相对应。VLlNELCD控制器和LCD驱动器之间的线同步脉冲信号。该信号用于LCD驱动器将水平线(行)移位寄存器的内容传送给LCD屏显示。LCD控制器在整个水平线(整行)数据移入LCD控制器后,插入一个VLINE信号。该信号与LCD模块的LP信号相对应。VCLK:LCD控制器和LCD驱动器之间的像素时钟信号。由LCD控制器送出的数据在VCL

    41、K的上升沿处送出,在VCLK的下降沿被LCD驱动器采样。该信号与LCD模块的XCK信号相对应。vM:LCD驱动器的AC信号。VM信号被LCD驱动器用于改变行和列的电压极性,从而控制像素点的显示和熄灭。VM信号可以与每个帧同步,也可以与可变数量的VLINE信号同步。VD7“-0:LCD像素点的数据输入端口。与LCD模块的D7“-0相对应。本设计选用GPE0经反相器输出作为像素点显示开关,采用ENDIAN经反相器输出作为背光控制开关。原理图如图3-6。图3-6LCD接口原理图Fig 3-6 LCD interface schematic diagram333键盘接口电路设计矩阵式键盘由行线和列线组

    42、成,一般用于按键数量较多的场合。按键位于交叉点上。如图37所示,一个44的行,列结构可以构成一个有16个按键的键盘。按键设置在行、列交叉点上,行、列分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接N+sv上。平时无按键动作时,行线处于高电平状态;当有按键按下时,系统的硬件设计行线电平状态将由通过此按键的列线电平决定;列线电平如果为低,行线电平为低,列线电平如果为高,则行线电平也为高。实际电路采用GPIOPE4-、-,7作为输入端口,GPIOPF4-一7作为输出扫描码。 。l -读f输入扫描码图37矩阵式键柱结构Fig 3-7 Matrix Keyboards structure334数据保存接口电

    43、路设计采用EEPROM可以将数据永久保存,供下次开机调用,如电压、电流设定值,PID参数,系统时间,运行状态等,因此采用了AT24C01芯片。它提供128字节的EEPROM存储空间采用IIC总线通信。应用电路如图38所示:7U13;ISD5 I。一I:;烈量翻二EEPRo: IVCC 24LCXXX GND !i;i;r,:坚一:一!i jj!上i一lm。”一。rgl“l& “一一丘 船5 10K逝r“ 。10正:一i图3-8 EEPROM接口电路Fig 3-8 EEPROM interface2l系统软件平台的搭建41 uCOSII的移植4系统软件平台的搭建本次设计在充分研究了实时内核和硬件

    44、平台特性的基础上,将实时内核uCOSII成功移植到ARM平台。实现了控制系统软件平台的智能化,模块化。411实时操作系统实时操作系统(RTOS)的基本功能是任务(线程)调度、存储管理、同步机制、中断管理和API。和一般操作系统不同的是,RTOS没有命令行或图形的一个界面,只有一个核心,可以根据不同的应用系统裁剪或扩充。RTOS是一段嵌入在目标代码中的程序,系统复位后先初始化各个任务,然后在RTOS的调度下,将CPU时间、中断、IO、定时器等资源分片的分配给各个任务。从而使系统资源得到很好的利用,并使各任务对事件有更好的响应。RTOS面对几十个系列的嵌入式处理器MPU,MCU,DSP,SOC等提

    45、供相同的API接口,基于RTOS上的C语言程序具有极大的可移植性。下面从几个方面分析RTOS,这将为移植uCOS打下良好的基础。(1)前后台系统。一般的小系统都设计成前后台这种模式,应用程序是一个无限的循环,循环中调用函数完成相应的操作,这部分可以看成是后台行为,也称之为任务级。中断服务程序处理异步事件,可以看成前台行为,也称之为中断级。因为中断服务提供的信息一定要等到后台程序运行到该处理这个信息时,才能得到处理。这种系统在处理信息的及时性上,比实际上可以做到的要差。最坏情况下的任务级相应时间取决于整个循环的执行时间。(2)任务与任务切换。多任务运行的实现实际上是靠CPU在许多任务之间转换和调

    46、度,我们可以通过实时操作系统将复杂的应用程序层次化。使用多任务,应用程序将更容易设计和维护。每一个任务都是整个应用的一部分,被赋予一定的优先级,享有自己的CPU寄存器和栈空间。每个任务都处在以下5种状态之一:休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态。休眠态相当于任务驻留在内存中,但并不被多任务内核所调度;就绪态意味着任务已经准备好,可以运行,但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低,还暂时不能运行:运行态是指任务掌握了CPU的使用权,正在运行中;挂起态,指任务在等待,等待某一事件的北京交通大学硕士学位论文发生,最后发生中断时,CPU提供相应的中断服务,原来正在运行的任务暂不能运行,就进入

    47、了被中断状态。当多任务内核决定运行另外的任务时,它会先保存正在运行任务的当前状态,即CPU寄存器中的全部内容,保存在任务自己的栈区之中。入栈完成之后,就把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入CPU的寄存器,并开始下一个任务的运行。(3)可剥夺型内核。在可剥夺性内核中,总是让就绪态且优先级最高的任务先运行,中断服务程序可以抢占CPU。中断服务完成,内核总是让此时优先级最高的任务运行(不一定是那个被中断的任务),任务级系统响应时间得到了最优化,且是可知的。大多数商业级的RTOS都是可剥夺性内核。(4)任务间信息的传递有两个途径,通过全称变量,或发消息给另一个任务。用全程变量时,必须

    48、保证每个任务或中断服务子程序独享该变量。中断服务中保证独享的唯一办法是关中断。任务只能通过全程变量与中断服务子程序通信。信号量是一种约定机制,在多任务内核中普遍使用,用于控制共享资源的使用权(满足互斥条件),标志某事件的发生,使两个任务的行为同步。只能对信号量实施三种操作,初始化,挂起,发信号。412 uCOSII的内核分析对于小型实时系统来讲,源代码公开、具有很好的可移植性、可固化可裁剪、高稳定性和可靠性、抢占式多任务的uCOSII非常适合学习。同时uCOSII已经应用于照相行业、医疗仪器、音响设备、发动机控制、网络接入设备、高速公路电话系统、ATM机等嵌入式实时系统,其中uCOSIW252

    49、通过了美国航天管理局的安全认证,可以应用于飞机、航天器。这说明uCOSII不仅是一个很有生命力的,而且是值得放心使用的操作系统。下面对内核代码进行分析。(1)主头文件“includeh”,代码中两种类型的源文件都包含“#include”预处理命令。分别为处理器相关的源文件:05 h型,堆栈等,便于编译时分配内存空间);os ,内核生成配置文件;os ,_cfgh cpu CC用作ISR(中断服务例程)和RTOS定时器。任务切换的汇编代码在os cPU as中。与处理器无关的源文件:UCO$iih和UCOS iiCo用作RTOS核心、定时器和任务的文件是OS corec、os timeC和OS taskC。存储器分区、信号量、队列和邮箱的代码分别在OS mcr

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