一种通用自适应PID控制器的设计与实现

文章编号　100426410(2009)0120005205一种通用自适应PID 控制器的设计与实现浦汉军1,吴彤峰2,付瑞斌1(1.广西大学机械工程学院,广西南宁530004;21广西工学院汽车工程系,广西柳州　545006)摘　要:提出了一种新的增益调整方法,并将其应用于单神经元PID 控制算法中。

针对目前自适应PID 控制器通用性差的不足,把Matlab 和ARM 处理器相结合,采用改进后的控制算法设计了一种具有良好通用性的自适应PID 控制器。

该控制器体积小、成本低。

实验表明,其响应速度快、跟踪性能好、输出精度高。

关　键　词:控制器;单神经元PID ;ARM中图分类号:TP273 文献标识码:A收稿日期:2009-01-05基金项目:广西研究生教育创新计划项目(2008105930802M62)资助。

作者简介:浦汉军(1982-),男,广西容县人,广西大学机械工程学院研究生。

0　引　言图1　控制器硬件电路图图2　控制器硬件电路图 单神经元PID 控制算法是神经网络与传统PID 相结合的产物,能通过自学在线调整比例、积分、微分参数,具有良好的适应能力。

大量的实验和仿真表明,能较好地应用于线性、非线性、滞后的控制系统中。

然而,目前运用该算法的自适应PID 控制器大多都是针对某一种专用系统设计的,在系统调试时,往往需要反复更改控制参数,每一次更改参数都要重新编译连接程序,使得系统的调试非常麻烦,尤其在系统调试者经验不足的情况下,调试系统往往需要更多的时间。

本文采用L PC2294处理器作为控制器的核心,结合Matlab 设计并实现了一种通用的嵌入式自适应PID 控制器。

实验证明其调试方便,控制效果良好。

1　系统总体方案及其硬件设计 系统由PC 机和ARM 控制器组成,如图1所示。

PC机主要作用是实现控制参数的设置和修改,并通过串口与ARM 控制器通信。

ARM 控制器是核心,主要接收主机发送来的命令或控制参数,固化控制参数(把参数烧写到flash ),采样实际对象的数据,进行自适应PID 控制算法运算,输出控制信号,以实现对目标对象的控制。

图2为ARM 控制器硬件结构框图,ARM 控制器的主控制芯片为ARM7处理器L PC2294,其内部资源有16kB 静态RAM 、256kB Flash 、2个32位定时器、8路10位A/D 转换器,4路CAN 、PWM 通道、2个16C550工业标准UAR T [1]。

加入电源电路、复位电路、J TA G 接口电路、UAR T 接口电路、外围电路,便构成了控制器的硬件。

第20卷　第1期 广西工学院学报 Vol 120　No 11　2009年3月月　JOURNAL OF GUAN GXI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Mar 12009　图3　单神经元自适应PID 算法结构图2　自适应控制算法211　单神经元PID 算法 单神元自适应PID 算法的控制结构如图3所示。

该算法通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能。

加权系数的调整规则采用有监督的Hebb 学习规则[2]。

其控制算法和学习算法为:Δu (k )=K∑3i =1w i —(k )x i (k )(1)w i —(k )=w i (k )/∑3i =1|w i (k )|(2)w i (k +1)=w i (k )+ηi z (k )u (k )x i (k )　(i =1,2,3)(3) 式中,Δe (k )=e (k )-e (k -1),z (k )=e (k ),x 1(k )=Δe (k )=e (k )-e (k -1),x 2(k )=e (k ),x 3(k )=Δ2e (k )=e (k )-2e (k -1)+e (k -2) η1、η2、η3分别为比列、积分、微分的学习速率,K 为神经元的比例系数。

权值w 1(k )、w 2(k )、w 3(k )分别对应传统PID 算法中的比例、积分、微分系数。

212　经验改进算法 在大量的实际应用中,通过实践表明PID 参数的在线学习修正主要与e (k )及Δe (k )有关。

基于此,将单神经元自适应PID 控制算法中的加权系数学习修正部分进行修改,即将其中的x i (k )改为e (k )+Δe (k ),改进后的权值调整算法如下式(4):w i (k +1)=w i (k )+ηi z (k )u (k )(e (k )+Δe (k )) (i =1,2,3)(4)213　积分分离改进算法 为了使该算法响应更快速,采用积分分离方法,按误差大小分段进行控制。

在大误差范围内,神经元的输入维数为2,分别为x 1、x 3,以加快误差的消除,避免积分饱和,加快调节过程;而在小误差范围内,神经元输入的维数为3,分别为x 1、x 2、x 3,以便系统细调,加强自适应性及消除稳态误差。

由上面分析知:Δu (k )=K[w i —(k )x 1(k )+w i —(k )x 3(k )] |e (k )|>ξΔu (k )=K∑3i =1w i —(k )x i (k ) |e (k )|<ξ(5) (5)式中ξ为误差大小,其他各参数与(1)～(3)式中意义相同。

214　K 值可调整的算法 单神经元PID 控制算法是运用自身的学习能力,使权值依照外界环境学习达到控制目的,但权值自校正速度较慢,因此,需要引入K 值的自适应调整规律。

K 值的调整规律很多,有模糊算法调整规律、PSD 调整规律、遗传算法调整规律等。

然而,这些算法大都计算较为复杂。

对K 值的分析表明,应当在响应初期取较大的K 值,以提高响应速度;而在进入稳态时,K 值应逐步减小到某一稳定值,以保证系统不出现过大的超调量[3,4]。

文献[3]和[4]提出了一种K 值调整方法如公式(6)所示:K (k )=111×K (k -1) e (k )>0102×ri nkk (K )=k (K -1) |e (k )|<0102×ri nkK (k )=019×K (k -1) e (k )<-0102×ri nk(6) 该K 值调整方法,简单、实用,但缺乏通用性,本文引进可变参数α和β,对其进行修改后,控制规律如式(7):K (k )=(1+α)×K (k -1) e (k )>β×ri nk K (k )=K (k -1) |e (k )|<β×ri nk K (k )=(1-α)×K (k -1) e (k )<-β×ri nk α∈[0　015],β∈[0　0105](7)6广西工学院学报 第20卷 当α=011,β=0102,(6)式与(7)式相同。

不同的系统,根据实际情况取不同的α和β值,因而使系统具有更好的通用性。

利用公式(7)调整改进的单神经元PID 算法中的K 值,就构成了K 值在线可调的积分分离单神经元PID 算法。

该算法不仅具有较强的自适应能力,而且响应速度快。

3　系统软件设计 控制器的软件系统主要分为主控制器部分和PC 机部分。

311　主控制器软件设计 主控制器软件是在ADS112集成开发环境下采用C 语言编写[5],完成ARM 初始化、采样、接收控制参数(来自PC 机)、控制参数固化、单神经元PID 算法的运算、控制信号输出。

其软件流程图如图4和图5所示:ARM 控制器采用中断方式接收PC 机发送来的命令和控制参数。

控制参数有:ηI 、ηP 、ηD 、K 0、α、β、ζ,以及采样时间和期望输出值。

图4　APM 目标机主程序流程图 图5　目标机串口接收中断程序流程图312　PC机的软件设计图6　通用自适应PID 控制系统程序界面 PC 机部分主要实现人机交互界面、参数修改、曲线显示、ARM 控制器串口通信以及控制参数智能优化功能。

31211　程序界面的设计　Matlab 具有强大的数学运算功能,同时,对串口通信的实现也非常简单,使用Matlab 中的fwrtie ()和fread ()函数可以方便地通过串口发送和接收各种类型的数据,且MA TLAB710的GU IDE 增加了对用户界面面板和ActiveX 控件支持,能方便地实现界面的设计。

故本文采用MA TLAB710软件来编写控制系统的PC 机部分程序,所设计的程序界面如图6所示。

系统运行时,用户根据控制对象的情况,在文本框里输入,或用鼠标拖动滑动键来设置各个控制参数。

然后点击“握手”按键实现串口的初始化,单击“发送”按键,把控制参数发送到ARM 控制器上。

ARM 控制器接收到控制参数,并按这些参数进行运算,输出控制信号。

用户反复调整控制参数,观察其控制效果,当控制效果达到最优时,单击“固化参数”按键,PC 机向串口发送固化参数命令(这里为0XFFFF )。

ARM 控制器收到该命令,运行固化参数程序,把调整好的控制参数,烧写到flash 中。

31212　串口通信的实现代码 (1)“握手”按键主要代码:7　第1期 浦汉军等:一种通用自适应PID 控制器的设计与实现 8广西工学院学报 第20卷function pushbutton1Callback(hObject,eventdata,handles) global s; %定义全局变量s s=serial(’com1’);%创建串口1的设备对象s set(s,’BaudRate’,9600);%设置波特率为9600 set(s,’OutputBufferSize’,1000);%设置发送缓冲区的大小为1000 set(s,’InputBufferSize’,1000);%设置接收缓冲的大小为1000 set(s,’Timeout’,015);%设置一次读或写操作的最大完成时间为015s,缺省值为10s fopen(s);%打开COM1串口 (2)“发送”按键的主要代码:function pushbutton2Callback(hObject,eventdata,handles) global s; %定义全局变量s xitai=round(get(handles1slider1,’Value’));%获取ηI的值 ……%获取ηP、ηD的值 K0=get(handles1slider4,’Value’);%获取K0的值 ……%获取α、β、ζ的值 Sam Time=str2num(get(handles1edit1,’’));%获取采样时间Sam Time的值 ……%获取输出期望Rink的值 fwrite(s,[xitai xitap xitad Sam Time Rink],’uint16’);%发送参数ηI、ηP、ηD、Sam Time %　Rink fwrite(s,[K0Alpha Beta Zeta],’float32’);%发送系数K0、α、β、ζ (3)“退出”按键的主要代码:function pushbutton3Callback(hObject,eventdata,handles) global s;%定义全局变量s fclose(s);%关闭COM1串口 delete(s);%从计算机内存中删除COM1串口对象,释放空间 clear s;%清除工作空间中的串口设备对象 (4)“固化参数”按键的主要代码:function pushbutton3Callback(hObject,eventdata,handles) global s; %定义全局变量s fwrite(s,[65535],’uint16’);%发送固化参数命令,这里设固化参数命令为0XFFFF4　智能化过程的实现 由于Matlab具有强大的数据处理和绘图功能,可以采用matlab的回调函数机制实时接收ARM控制器的采样数据,把接收到的数据动态绘图,从而更方便系统地分析和调试,并利用专家系统、模糊数学、神经网络、遗传算法等先进的人工智能理论知识对采样数据进行分析和处理,二次自动优化改进单神经元PID算法的控制参数,实现控制器的智能化。