萬 李 戴振華

（湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425100）

PID算法在測量儀表中的應用

萬 李 戴振華

（湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425100）

本文介紹了一種測量儀表的設計方法。采用PID(比例積分微分)算法設計的閉環(huán)程控電流源，實現輸出電流的精確控制，提高程控電流源的設計精度和調整精度。

程控電流源；PID算法；單片機

引 言

電流源在測量儀表中有著廣泛的應用，關于程控電流源的設計，有很多文章提出了它的設計思想。在這些設計思想中，一般都是采用開環(huán)電路，即利用微處理器作控制電路，D/A轉換器和V/I轉換電路來實現。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 程控電流源開環(huán)電路

這種實現方法是一種開環(huán)方式，為了便于電流的調節(jié)和設定，實際的電流源采用壓控變換電路來實現，通過調整輸入電壓手動調節(jié)輸出電流的大小。但電流的 輸出效果系統(tǒng)并不知道，這樣造成電流的輸出精度不高，在需要高精度的電流輸出時達不到要求。為此，在傳統(tǒng)電路的基礎上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，給電路加上反饋電路，軟件上利用PID算法實現輸出電流的精確控制。

1 硬件設計

系統(tǒng)利用 89C52單片機將被預置的電流值通過換算由MAX538進行D/A轉換，進行電壓輸出，并驅動V/I轉換實現電流輸出,同時將該電流值對應的電壓通過閉環(huán)回路，經過信號處理電路，利用MAX187進行A/D轉換輸入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)通過 PID算法調整電流輸出，并驅動顯示電路顯示當前電流值。具體電路如圖2所示。

圖2 程控電流源原理圖

2 PID控制算法

以上電路的設計將實際電流值反饋給單片機，使得整個電路構成了一個閉環(huán)，為PID算法提供了硬件基礎。PID控制是很早就發(fā)展起來的控制策略。PID控制由于算法簡單、可靠性高、魯棒性好，被廣泛應用于過程控制。該系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示，主要完成四個功能：一是系統(tǒng)的初始化，包括各外圍接口芯片的初始化和電流起始值的初始化；二是鍵盤檢測和串口檢測，鍵盤檢測包括電流的預置與步進調整。串口檢測采用中斷方式檢測串口地址是否有PC機發(fā)過來的控制信號，實現PC機控制電流輸出；三是實現DA轉換和AD轉換；四是利用PID算法進行電流調整，實現輸出電流的精確控制。

圖3 軟件流程圖

系統(tǒng)運行過程中，由軟件實現系統(tǒng)的控制和管理。實現量程選擇、輸出預置、輸出調整等功能。在本系統(tǒng)中，我們采用離散增量 PID算法，具體控制過程為：單片機經A/D芯片讀出實際輸出電流Ik，然后和設定電流IS，相比較，得出差值Ek=IS-Ik，單片機根據Ek的正負大小，調用PID公式，計算出本次電流調節(jié)的增量ΔIk，然后根據前一次D/A芯片輸出電流Iq-1，計算出本次電流輸出Iq。離散增量PID的計算公式為：

ΔIk= KP[(EK–EK-1) + KIEK+ KD(EK–2EK-1+EK-2)]

= KP(EK–EK-1) + KˊIEK+KˊD(EK–2EK-1+EK-2)

其中 KˊI= KP* KI，KˊD= KP* KD，EK為本次采樣時刻的電流誤差，EK-1為上次采樣電流誤差，EK-2為再上次采樣電流誤差值。根據此公式編制出PID算法程序如圖4所示。

圖4 PID算法子程序流程圖

使用 PID算法能否達到設計的調節(jié)品質，在于調整好三個關鍵參數：KP比例系數、積分系數KI和微分系數KD。各個參數的取值大小分別對系統(tǒng)的性能有不同的影響。下面加以說明。

（1）比例系數KP對系統(tǒng)的影響：比例系數KP加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)定誤差減小；KP偏大，振蕩次數加多，調節(jié)時間加長；KP太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；KP太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。

（2）積分系數KI對系統(tǒng)的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI小，積分作用強，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。

（3）微分系數KD對系統(tǒng)的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，KD偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短；KD偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長；只有KD合適，才能使超調量較小，減短調節(jié)時間。

采用12位的D/A和A/D轉換芯片確保調整精度。通過實驗調試，確定KP=0.5，KI=0.05，KD=0.7。研制出的程控電流源的性能指標為：量程0~3A，電流調整精度<1mA，誤差<0.1%，穩(wěn)定時間<4s。若采用14位或16位的D/A和A/D轉換芯片可進一步提高調整精度。

3 結束語

加上反饋電路的閉環(huán)程控電流源系統(tǒng)，利用PID算法，使電流輸出精度高，反映速度快，通過串行通訊口連接PC機器或系統(tǒng)自帶鍵盤的控制，可根據需要隨意設定電流，使測量儀表的功能更加完善和強大。

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The Application of PID Algorithm in Measure Instrument

WAN Li，DAI Zhen-hua
（Dept. of Computer and Communication Engineering, Hunan University of Science and Engineering, YongZhou 425000 China）

This paper introduces the design of measure instrument. The intelligent current source with closed loop uses PID algorithm to realize the accuracy control of output current, enhances the design precision and the adjustment precision of the program control current supply.

Intelligent current source; PID algorithm; Single chip

TP399

A

1673-2219（2010）12-0084-02

2010－06－02

湖南科技學院校級課題（09XKYTC012）。

萬李（1983－），男，碩士研究生，研究方向為計算機網絡與電子測量監(jiān)控。

（責任編校：何俊華）