本文關(guān)鍵詞：基于微處理器的PID控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 數(shù)字PID控制器 離散化 調(diào)諧 Buck轉(zhuǎn)換器 狀態(tài)空間平均 數(shù)字控制器

【摘要】：控制工程是現(xiàn)代流程工業(yè)(process industries)中最為重要的組成部分。其主要目的是為了避免干擾,并確保在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到所需要的輸出。在眾多的控制策略中,普遍使用比例積分微分(PID)算法。PID控制器通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋系統(tǒng)完成積分和微分的運(yùn)算過(guò)程,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)誤差的估計(jì)和消除。95%以上的過(guò)程控制的控制回路類型都是PID類型,實(shí)際上很多環(huán)路是PI控制。PID控制器有許多不同的結(jié)構(gòu),它們可以在一個(gè)或多個(gè)環(huán)路中作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行工作,也可以作為過(guò)程處理中的分布系統(tǒng)進(jìn)行工作。甚至在原子應(yīng)力顯微鏡、汽車巡航系統(tǒng)和CD/DVD播放器中,都應(yīng)用了PID控制器。由于PID控制可以滿足控制系統(tǒng)的一般性能要求,因此,在幾乎所有的工業(yè)控制過(guò)程中,都采用了PID控制系統(tǒng)。多年以來(lái),PID控制器已經(jīng)通過(guò)模擬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在多年前,科研人員首先將電子控制器應(yīng)用于PID控制器。電子控制器在性能上逐漸超越了之前使用的機(jī)械式控制器,在速度和成本上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。使用模擬PID控制器在控制對(duì)象改變時(shí),很難調(diào)整控制參數(shù)。這時(shí),通常需要工程師去調(diào)整控制器的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的改變以適應(yīng)新的控制情況。和現(xiàn)在相比,當(dāng)時(shí)的數(shù)字控制器還沒有發(fā)展起來(lái),其運(yùn)算速度非常慢并且成本較高,可應(yīng)用的軟件很少,還在使用機(jī)器碼進(jìn)行編程。經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展,這種情況發(fā)生了顯著的改變�，F(xiàn)在,微電子和微處理器的快速發(fā)展使其可以在工業(yè)過(guò)程中使用現(xiàn)代控制技術(shù)。數(shù)字控制器的成本顯著下降并且處理速度明顯增加,使其逐漸替代了模擬控制器。隨著現(xiàn)代固態(tài)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字控制器通過(guò)改變內(nèi)部軟件(而不是硬件)的再設(shè)計(jì)能力成為超越模擬控制器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。因此,本文中,我們主要研究基于數(shù)字控制器的PID控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,使其在不改變硬件結(jié)構(gòu)的前提下,僅僅對(duì)數(shù)字控制器重新編程實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的改變。首先,我們對(duì)PID控制器反饋控制系統(tǒng)理論進(jìn)行了詳細(xì)研究,并推導(dǎo)出PID控制器的數(shù)學(xué)模型。在PID控制器的調(diào)整過(guò)程中,首先需要確定內(nèi)部控制方式,然后進(jìn)行PID控制器的具體設(shè)計(jì),調(diào)整過(guò)程中需要找到PID控制參數(shù)Kp,Ki和Kd的恰當(dāng)值。本文對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)代的多種調(diào)整方法進(jìn)行了研究,并選出了一種合適的調(diào)整方法用于本文的仿真和實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)PID控制的方案需要同時(shí)考慮采樣、離散化和量化等數(shù)字化的內(nèi)容。本文對(duì)多種離散化方式進(jìn)行了研究,并針對(duì)本文所提出的pid控制方法選擇了一種合適的數(shù)字離散方法。選用直流-直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證上述基于pid控制原理的數(shù)字控制器的有效性。隨著科技的飛速發(fā)展,現(xiàn)今的供電系統(tǒng)在可靠性、優(yōu)質(zhì)性、高效性、小巧輕便性等方面有了突飛猛進(jìn)的提升。基于此,直流-直流供電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域以及各種電子系統(tǒng)當(dāng)中。直流-直流轉(zhuǎn)換器主要用于把帶有波動(dòng)的輸入電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的輸出電壓供給可變電阻負(fù)載使用。直流-直流轉(zhuǎn)換器大量應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、電視接收器、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器、電池充電器以及需要有穩(wěn)定直流電源供電的設(shè)備當(dāng)中。另外在直流馬達(dá)速度控制器中,也用直流-直流轉(zhuǎn)換器來(lái)提供穩(wěn)定可變直流電壓。在升壓、降壓轉(zhuǎn)換器中同樣能看到直流-直流轉(zhuǎn)換器的身影。在實(shí)驗(yàn)中我們選用了降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)分析與驗(yàn)證上述基于pid控制原理的數(shù)字控制器。為使降壓轉(zhuǎn)換器保持恒定的輸出電壓,我們采用反饋環(huán)路來(lái)實(shí)時(shí)根據(jù)電壓輸出情況對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。即當(dāng)輸出電壓偏離理想值時(shí),反饋系統(tǒng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,使之回到理想值。反饋系統(tǒng)的這種調(diào)整作用是通過(guò)改變場(chǎng)效應(yīng)管工作的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上述基于pid控制原理的數(shù)字控制器在系統(tǒng)中就是要起到反饋環(huán)路的作用,通過(guò)調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管工作的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的恒定電壓輸出。為了設(shè)計(jì)最適合本文的控制器,有必要獲得轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能、瞬態(tài)響應(yīng)以及小信號(hào)特性等參數(shù)的詳細(xì)信息。然而,這些信息不能完全從轉(zhuǎn)換器的物理模型中獲取。通過(guò)數(shù)學(xué)建�？梢垣@得更多有效信息,在時(shí)不變系統(tǒng)中,可以通過(guò)不同的微分方程來(lái)獲得電路波形。因此,在設(shè)計(jì)控制器時(shí),通過(guò)建立控制器的數(shù)學(xué)模行是使用最廣泛的一種分析方法,而且可以應(yīng)用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器中。隨著數(shù)學(xué)模型在轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用,許多技術(shù)都得以有效發(fā)展并推廣,其中包括電流注入法、電路平均法和狀態(tài)空間平均法,無(wú)論采用哪種方法它們都能得到相同的結(jié)果。在本文中,脈沖寬度調(diào)制(pwm)轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型是利用狀態(tài)空間平均技術(shù)在連續(xù)傳導(dǎo)模式(ccm)中推導(dǎo)得出的。得到有效的數(shù)學(xué)模型后,本文利用matlab/simulink等仿真軟件對(duì)該數(shù)學(xué)模型的開環(huán)、閉環(huán)和數(shù)字控制器的結(jié)果進(jìn)行了分析。本文的研究主要取得了以下幾點(diǎn)成果:1、對(duì)幾種經(jīng)典和現(xiàn)代的參數(shù)調(diào)整方法進(jìn)行了回顧,詳細(xì)研究了對(duì)pid控制參數(shù),如kp、ti和td的選取方法。盡管已經(jīng)出現(xiàn)了許多現(xiàn)代方法,但是研究表明從簡(jiǎn)潔性和應(yīng)用角度來(lái)講這些方法還是無(wú)法替代Z-N法。因此仍然需要一種比傳統(tǒng)的Z-N法更簡(jiǎn)潔有效的參數(shù)調(diào)整方法,以適應(yīng)現(xiàn)代飛速發(fā)展的控制工程要求。2、為了使用數(shù)字控制器進(jìn)行準(zhǔn)確的PID控制,對(duì)控制方法中所包含的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)行合理的近似是非常重要的。因此本文對(duì)多種離散方法進(jìn)行了詳細(xì)研究,并且通過(guò)本文的研究提出了一種有效的離散方法。后向差分技術(shù)是對(duì)PID控制理論中微分項(xiàng)進(jìn)行離散化的最好方法,因?yàn)檫@種方法可以對(duì)所有Td值都進(jìn)行很好的近似,并且相對(duì)于其它方法更容易進(jìn)行計(jì)算。3、本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字控制器的PID控制器,并將其運(yùn)用于降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中,該系統(tǒng)可以將波動(dòng)的12V輸入電壓轉(zhuǎn)化成5V穩(wěn)壓輸出。在CCM運(yùn)行模式下,降壓轉(zhuǎn)換器可以成功的實(shí)現(xiàn)5V恒定輸出電壓,而這一處理過(guò)程只需要2秒鐘的時(shí)間。從仿真結(jié)果中,我們發(fā)現(xiàn),使用了閉環(huán)PID控制的Buck轉(zhuǎn)換器的輸出要優(yōu)于開環(huán)Buck轉(zhuǎn)換器。從仿真結(jié)果中可以清楚地觀察到,PID閉環(huán)控制具有更小的過(guò)沖,更短的上升時(shí)間,更快的調(diào)整時(shí)間(settling time)。因此,應(yīng)用閉環(huán)PID控制的Buck轉(zhuǎn)換器無(wú)論是在瞬態(tài)性能還是靜態(tài)性能上都要優(yōu)于開環(huán)Buck轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)波形上基本吻合,只是在仿真過(guò)程中沒有考慮量化誤差的問(wèn)題,在啟動(dòng)過(guò)程中,沒有計(jì)入較小的過(guò)沖電壓的影響。在實(shí)驗(yàn)中,考慮到數(shù)字控制器的魯棒性,簡(jiǎn)單性和成本等因素,本文使用PIC16F84數(shù)字控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制,得到的結(jié)果與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以知道在硬件不做任何改變的情況下,只要重新編程數(shù)字控制器就可以改變PID控制器的參數(shù)。比較結(jié)果還表明,基于數(shù)字控制器的PID控制器不僅較同類控制器需要更少的元器件組成單元,且其抗噪聲、抗干擾能力也比同類控制器更強(qiáng)。
【關(guān)鍵詞】：數(shù)字PID控制器 離散化 調(diào)諧 Buck轉(zhuǎn)換器 狀態(tài)空間平均 數(shù)字控制器
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP273
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-22
• Chapter 1 Introduction22-26
• 1.1 Objective22
• 1.2 Introduction22-23
• 1.3 Motivation23-24
• 1.4 Thesis Organisation24-26
• Chapter 2 History and Theory of PID Control26-54
• 2.1 Background26
• 2.2 Introduction to the Concept of Feedback Control26-27
• 2.3 Control systems27-29
• 2.3.1 Open-loop control systems28
• 2.3.2 Closed loop Control systems28-29
• 2.3.3 Multivariable control systems29
• 2.4 The importance of feedback control systems29-30
• 2.5 History of feedback control systems and the PID controller30-31
• 2.6 factors that spurred the development of feedback control31-35
• 2.6.1 Water Clocks of the Greeks and Arabs31-32
• 2.6.2 The Industrial Revolution32-33
• 2.6.3 Mass Communication and The World wars33-34
• 2.6.4 The Space/Computer Age and Modern Control34-35
• 2.7 Types of control Problems35-39
• 2.7.1 Regulation36-37
• 2.7.2 Tracking and servomechanism problems37-38
• 2.7.3 Trajectory design/targeting problems38
• 2.7.4 Systems38-39
• 2.8 Types of controllers39
• 2.9 Fundamentals of PID Control39-48
• 2.9.1 Proportional Controller (P)40-43
• 2.9.1.1 Static Analysis40-42
• 2.9.1.2 Proportional Controller transfer function42-43
• 2.9.2 Integral Controller (I)43-46
• 2.9.2.1 Integral Controller transfer function45-46
• 2.9.3 Derivative Controller (D)46-48
• 2.9.3.1 Differential Controller transfer function47-48
• 2.10 The Characteristics of P, I, and D Controllers48-49
• 2.11 Configuration of a PID controller49-50
• 2.11.1 Serial implementation49-50
• 2.11.2 Parallel Implementation50
• 2.12 Mathematical modeling of a PID controller50-54
• 2.12.1 PI Controller51
• 2.12.2 PD Controller51-52
• 2.12.3 PID controller52-54
• Chapter 3 PID Control Design Theory54-73
• 3.1 Controller design54
• 3.2 Tuning of PID controllers54-56
• 3.3 Tuning Methods56-57
• 3.3.1 Desirable features of a tuning procedure56
• 3.3.2 Tuning Objectives56-57
• 3.4 Classification of PID Tuning Methods57-59
• 3.4.1 Classification According to nature and usage57-58
• 3.4.2 Classification according to tuning techniques58-59
• 3.5 Closed loop methods59-62
• 3.5.1 Closed Loop Ziegler-Nichols Method59-60
• 3.5.2 Modified Ziegler-Nichols Methods60
• 3.5.3 Tyreus  Luyben Method60-61
• 3.5.4 Damped Oscillation Method61-62
• 3.6 Open loop methods62-73
• 3.6.1 Open Loop Ziegler-Nichols Method62-63
• 3.6.2 The C-H-R Method63-64
• 3.6.3 Cohen-Coon Method64-65
• 3.6.4 Fertick Method65-67
• 3.6.5 Ciancone and Marline Method67-69
• 3.6.6 Internal Model Control (IMC)69-70
• 3.6.7 Tuning Method for Minimum Error70-73
• Chapter 4 Digital Implementation of a PID Controller73-81
• 4.1 Digital Implementation of a PID controller73
• 4.2 Sampling73-75
• 4.2.1 Prefiltering74-75
• 4.3 Discretization75-81
• 4.3.1 Proportional Action75
• 4.3.2 Integral Action75-76
• 4.3.2.1 Forward differences method75-76
• 4.3.2.2 Backward differences method76
• 4.3.2.3 Tustin’s approximation and ramp equivalence method76
• 4.3.3 Derivative Action76-79
• 4.3.3.1 Forward differences method76-77
• 4.3.3.2 Backward differences method77
• 4.3.3.3 Tustin’s approximation method77
• 4.3.3.4 Ramp equivalence method77-79
• 4.3.4 Incremental Form79-81
• Chapter 5 Application of PID Control to Voltage Regulation Systems81-99
• 5.1 Voltage regulation81-82
• 5.2 Why we need a Controller82-83
• 5.3 Overview of a DC-DC Converter system83-84
• 5.4 Types of dc-dc converter systems84-91
• 5.4.1 Step-Down (Buck) Converter86-87
• 5.4.2 Step-Up (Boost) Converter87-89
• 5.4.3 Cúk Converter89-91
• 5.5 Detailed Analysis of Buck Converter Operation91-99
• 5.5.1 Basic Circuit diagram of a buck converter91-92
• 5.5.2 Circuit description92
• 5.5.3 Circuit Operation92-93
• 5.5.4 Analysis of the switching waveform93-94
• 5.5.5 Analysis of buck converter operation when the switch, S, when closed andwhen open94
• 5.5.6 Buck converter circuit operation when the switch, S, is closed94-95
• 5.5.7 Buck convertor circuit operation when the switch, S, is open95-96
• 5.5.8 Current analysis96-97
• 5.5.9 Mathematical modeling of the DC-DC converter97-99
• Chapter 6 Modeling, Design and Simulation of Buck Converter99-121
• 6.1 Mathematical Modeling of DC-DC Buck Converter99
• 6.2 State space averaging99-101
• 6.2.1 State Space Averaging Method for DC-DC Converters99-100
• 6.2.2 Procedure For State-Space Averaging100-101
• 6.3 The Basic State-Space Averaged Model101-103
• 6.4 Applying state space averaging on the buck converter103-105
• 6.4.1 Mathematical modeling of the DC-DC converter103-105
• 6.4.2 Mathematical Modeling of PID Controller for simulink105
• 6.5 Buck converter design105-110
• 6.5.1 Selection of the Inductor106-107
• 6.5.2 Selecting the output Capacitor107-109
• 6.5.3 Selecting the MOSFET109-110
• 6.5.4 Selecting the diode110
• 6.6 Simulation with MATLAB/Simulink110-121
• 6.6.1 Matlab Simulation of Open Loop Control of DC-DC Converter111-115
• 6.6.2 Simulink model Closed Loop Control of DC-DC Converter115-117
• 6.6.3 Digital Simulink model of dc-dc converter117-119
• 6.6.4 Output of digital model with step input voltage119-121
• Chapter 7 Digital Implementation with the PIC16F84 Controller121-130
• 7.1 Microcontrollers122
• 7.1.1 Advantages of Digital controllers122
• 7.2 SMPS controller function122-123
• 7.3 PIC16F84 Pico-controller123-128
• 7.3.1 The internal structure of a PIC124-125
• 7.3.2 Power and clock requirements125-128
• 7.4 Microcontroller based buck converter circuit128-130
• Chapter 8 Conclusions130-132
• 8.1 Summary130-131
• 8.2 Future work131-132
• References132-142
• Author and Publications142-143
• Acknowledgements143

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 李杰;楊淼;孫偉鋒;陸曉霞;徐申;陸生禮;;A fast novel soft-start circuit for peak current-mode DC-DC buck converters[J];Journal of Semiconductors;2013年02期

2 郭仲杰;吳龍勝;劉佑寶;張倩;;A novel embedded soft-start circuit for SOC power supply[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2010年05期

3 ;Simple digital PWM and PSM controlled DC-DC boost converter for luminance-regulated WLED driver[J];The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications;2009年02期

4 羅萍;張波;;Modeling and Analysis of Pulse Skip Modulation[J];Journal of Electronic Science and Technology of China;2006年01期

，

本文編號(hào)：933561