基于RTX的嵌入式二自由度PID控制器設(shè)計(jì)研究

摘 要：基于ＲＴＸ （Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ），設(shè)計(jì)了一種二自由度ＰＩＤ 控制器。該控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通訊、鍵盤輸入、監(jiān)控顯示、ＴＦＴＰ下載等功能模塊，是一種將ＲＴＸ 和二自由度ＰＩＤ 相結(jié)合的嵌入式控制器。

關(guān)鍵詞：

中圖分類號(hào)： ＴＰ３３４．１ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： Ａ 文章編號(hào)：２０９５－２１６３（２０１１）０３－００５８－０３

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ２ＤＦ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＴＸ

ＷＵ Ｑｕ， ＬＡＮＧ Ｈｏｎｇ， ＬＩ Ｐｅｎｇ， ＸＩＮＧ Ｌｅｌｅ， ＬＩＵ Ｙａｑｉｕ

Ａｂｓｔｒａｃｔ： The embedded 2DF PID controller is designed based on RTX(Real Time Executive).It is made up of many modularization configurations such as data acquisition module， data storage module， data processing and data communications module， I/O module， monitor display module， TFTP downloads function module. It is a kind of controller combining RTX with embedded 2DF PID.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：

０ 引言

工控系統(tǒng)的基本功能可劃分為對(duì)給定值變化的跟蹤性（跟蹤性能）和對(duì)外部擾動(dòng)變化的抑制性（擾動(dòng)性能）。相應(yīng)地，采用ＰＩＤ 控制器的工控系統(tǒng)，其控制參數(shù)的最佳值可分為跟蹤給定值最佳控制參數(shù)和抑制外部擾動(dòng)最佳參數(shù)。采用一自由度ＰＩＤ 控制器（Ｏｎｅ－Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的系統(tǒng)在沒(méi)有外界干擾及控制對(duì)象的模型化誤差或參數(shù)變化等不確定因素時(shí)具有良好的跟蹤特性；當(dāng)存在外界干擾或控制對(duì)象的不確定因素時(shí)，其跟蹤特性就變得很差[１，２]。１９６３ 年，美國(guó)學(xué)者Ｈｏｒｏｗｉｔｚ 在其著作《Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｆｅｅｄｂａｃｋ》中提出了二自由度控制（Ｔｗｏ－Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ Ｃｏｎｔｒｏｌ）的概念，認(rèn)為能夠獨(dú)立地設(shè)定跟蹤特性與擾動(dòng)特性的系統(tǒng)是具有二自由度的[３]。這一理論為ＰＩＤ 控制理論的發(fā)展指明了新方向。

２ＤＦ ＰＩＤ 控制器的優(yōu)越之處在于能獨(dú)立地設(shè)計(jì)出兩組參數(shù)，使系統(tǒng)的值跟蹤特性和擾動(dòng)特性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)[４]。回路補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的常規(guī)２ＤＦ ＰＩＤ控制模型如圖１所示，Ｒ（ｓ）為參考輸入，Ｎ１（ｓ）、Ｎ２（ｓ）為擾動(dòng)輸入；Ｇ０為控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函。式（１）為系統(tǒng)傳函，式（２）為系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)傳函，Ｇｃｒ、Ｇｃｎ２相互獨(dú)立，其控制參數(shù)可獨(dú)立設(shè)置，因此該結(jié)構(gòu)的控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤性能和擾動(dòng)性能的調(diào)節(jié)互不干擾。

嵌入式技術(shù)的發(fā)展和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，為２ＤＦ ＰＩＤ 控制器的設(shè)計(jì)提供了新理念和新技術(shù)。本文基于ＲＴＸ 操作系統(tǒng)和嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了以Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ 為核心的２ＤＦ ＰＩＤ 控制器，應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中，具有滿意的控制性能。

１ 二自由度ＰＩＤ 控制器設(shè)計(jì)

１．１ 系統(tǒng)分析及控制模型

由嵌入式控制器和變頻器組合實(shí)現(xiàn)恒壓供水，利用變頻調(diào)速裝置控制泵組電機(jī)的運(yùn)行速率，根據(jù)反饋的水壓自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了供水的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)壓力變化時(shí)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供水壓力，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。根據(jù)系統(tǒng)的控制模型，得到系統(tǒng)的控制目標(biāo)，即泵站總管的出水壓力。首先系統(tǒng)需要設(shè)定理想的供水壓力值，并將其轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的電流信號(hào)，總管處采集總管水壓傳感器反饋的信號(hào)也轉(zhuǎn)換成４～２０ｍＡ的電流信號(hào)，兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)ＰＩＤ控制器進(jìn)行ＰＩＤ調(diào)節(jié)，控制變頻器調(diào)節(jié)水泵機(jī)組電機(jī)的運(yùn)行速度及拖帶的電機(jī)數(shù)，從而調(diào)節(jié)管網(wǎng)的供水壓力，以保證水泵供水壓力恒定，即“變量恒壓”。

控制框圖如圖２。其中，壓力傳感器將水的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后由處理器送入ＰＩＤ 單元進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果再被輸出到控制端口，控制變頻器輸出，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)水循環(huán)回路中的承受水壓發(fā)生了變化，壓力傳感器將采集到的變化送入處理器， 由此實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

變頻器本身的響應(yīng)速度很快，但對(duì)于泵類負(fù)載，為了減弱“水錘”作用，必須設(shè)定一個(gè)大積分器，以使其控制信號(hào)變化時(shí)，輸出頻率緩慢變化到新的值，故變頻器可以用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述[５]：

式中，ｋ，Ｔ為常數(shù)。

若鼠籠式電機(jī)供電電源的電壓與頻率恒定不變，則其小偏差線性化模型如下

式中，ω，ω為定子電源頻率和轉(zhuǎn)子電氣角速度的偏差； ｐ為極對(duì)數(shù)； Ｄ為摩擦系數(shù)； ｍ為負(fù)載轉(zhuǎn)矩偏差； Ｖ，ω為定子電源電壓和頻率在靜態(tài)工作點(diǎn)上的值；ｒ?yàn)檎鬯愕蕉ㄗ觽?cè)的轉(zhuǎn)子電阻。對(duì)于泵類負(fù)載來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，經(jīng)過(guò)小偏差線性化后，偏差量的關(guān)系式如下[６]：

根據(jù)零點(diǎn)配置原理，即可求解出圖１中Ｇ１和Ｇ２的ＰＩＤ參數(shù)值。

１．２ 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的控制器以Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ 為處理器（ＡＲＭ７ＴＤＭＩ 內(nèi)核），外擴(kuò)８Ｍ 的１６ｂｉｔ ＳＤＲＡＭ（ＨＹ５７Ｖ６４１６ ２０）存儲(chǔ)器，２ＭＢ 的１６ ｂｉｔ ＮＯＲ Ｆｌａｓｈ（ＳＳＴ３９ＶＦ１６０）存儲(chǔ)器，１６Ｍ 的ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ（Ｋ９Ｆ２８０８）存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)采集模塊由液壓傳感器、ＰＭＡ 的Ｄ２８０－１１２－１００Ｅ－０００ 數(shù)顯儀和外擴(kuò)的ＵＳＢ 組成；通訊方式支持串行通訊，串行通訊由ＭＡＸ２３２ 和ＭＡＸ４８５ 實(shí)現(xiàn)；監(jiān)控顯示模塊由液晶顯示屏ＬＣＤ、蜂鳴器、八段數(shù)碼管和ＬＥＤ 構(gòu)成；由ＣＳ４３３４ 音頻輸出芯片輸出音頻信號(hào)；此外通過(guò)ＲＴＬ８０１９ 完成ＴＦＴＰ 下載功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖３，系統(tǒng)電路圖如圖４。

２ 系統(tǒng)任務(wù)劃分

２．１ 控制流程

本文所設(shè)計(jì)的控制器根據(jù)功能需求，可分為初始化、供水調(diào)度控制、壓力控制三個(gè)模塊。在初始化模塊中，要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行初始賦值，預(yù)設(shè)ＰＩＤ 指令偏移量，同時(shí)對(duì)監(jiān)控界面初始化。供水調(diào)度控制模塊的功能包括監(jiān)控界面控制電機(jī)起停、接收運(yùn)行中的報(bào)警信息、模擬顯示水位等。壓力控制模塊則負(fù)責(zé)進(jìn)行２ＤＦ ＰＩＤ 參數(shù)整定和實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。控制流程圖如圖５ 所示。

２．２ 多任務(wù)設(shè)計(jì)

ＲＴＸ５１ 是德國(guó)ＫＥＩＬ 公司開(kāi)發(fā)的專門針對(duì)于８０５１ 兼容ＭＣＵ 所作的ＲＴＯＳ。ＲＴＸ５１ 有兩個(gè)版本：ＲＴＸ５１ＦＵＬＬ 與ＲＴＸ５１ＴＮＹ。本文中所應(yīng)用的ＦＵＬＬ 版本支持四級(jí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，最大２５６個(gè)任務(wù)。該版本工作在類似于中斷功能的狀態(tài)下，同時(shí)支持搶占式與時(shí)間片循環(huán)調(diào)度，支持信號(hào)、消息隊(duì)列、二進(jìn)制信號(hào)量和郵箱等機(jī)制，通信功能強(qiáng)大，但是內(nèi)核很小，僅僅占用６～８ＫＢ 程序存儲(chǔ)器空間；可以靈活解決多任務(wù)調(diào)度、維護(hù)和時(shí)序安排等問(wèn)題，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格、要求多任務(wù)管理及任務(wù)通信功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。

在使用ＲＴＸ 的嵌入式應(yīng)用程序中，需要對(duì)ＲＴＸ 內(nèi)核進(jìn)行基礎(chǔ)配置[３]。即指定當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)數(shù)目、制定堆棧分配情況、指定實(shí)時(shí)系統(tǒng)定時(shí)器、設(shè)置定時(shí)器時(shí)鐘頻率和節(jié)拍間隔、為時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度指定時(shí)間片大小[７]。

系統(tǒng)任務(wù)劃分為創(chuàng)建壓力采集存儲(chǔ)、監(jiān)控界面顯示、報(bào)警中斷、實(shí)時(shí)調(diào)度多個(gè)任務(wù)，其中，壓力采集存儲(chǔ)、監(jiān)控界面顯示為周期任務(wù)（即每個(gè)消息循環(huán)周期內(nèi)都被調(diào)用的任務(wù)）。

任務(wù)狀態(tài)說(shuō)明如表１，任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖６，任務(wù)切換流程如圖７所示。

多任務(wù)編程沒(méi)有ＭＡＩＮ 函數(shù)，程序由ｔａｓｋ０ 開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行ｔａｓｋ１、ｔａｓｋ２、…。作為程序入口，ｔａｓｋ０ 用于創(chuàng)建任務(wù)。

ｊｏｂ０ （ ） ＿ｔａｓｋ＿ ０

ｏｓ＿ｉｎｉｔ（ ）

ｏｓ＿ｃｒｅａｔｅ＿ｔａｓｋ （１）

ｏｓ＿ｃｒｅａｔｅ＿ｔａｓｋ （２）

……

?妖

測(cè)試結(jié)果表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定，任務(wù)切換實(shí)時(shí)準(zhǔn)確；對(duì)存儲(chǔ)器的緩存寫讀、主存寫讀、頁(yè)／塊擦除等操作無(wú)誤；監(jiān)控顯示準(zhǔn)確；控制性能穩(wěn)定可靠。

３ 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的嵌入式２ＤＦ ＰＩＤ控制器應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格的恒壓供水控制系統(tǒng)中，基于ＲＴＸ搭建操作系統(tǒng)平臺(tái)，保證了系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性；采用２ＤＦ ＰＩＤ算法，使控制性能更優(yōu)，便系統(tǒng)具有更好的魯棒性。

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