CN106338912A - 一种基于arm的舵系统pid控制参数快速整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，采用ARM处理器作为控制芯片，利用其支持硬件浮点运算来加载PID算法，通过SPI总线来采集舵系统位置信息，串口中断来接收目标位置信息，定时中断形成系统控制周期；PID控制的参数中，其中Kp＝0.6Km、Ti＝4w/∏及Td＝w/∏。本发明能够实现对PID控制器三大参数(比例放大系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td)快速整定，缩短了研发周期，提高了工作效率，而且不用反复调试PID参数，保护了舵系统因调试而导致的破坏。

Description

一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法

技术领域

本发明属于舵系统控制技术领域，具体涉及一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法。

背景技术

数字PID控制算法在舵系统中决定着舵系统控制的性能，位置式基本PID控制器的理想算式如下：

$u\left(t\right)=Kp\[e\left(t\right)+\frac{1}{Ti}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+Td\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

式中：u(t)表示控制器的输出；

e(t)表示控制器的输入(设定值与被控量之差)；

Kp表示控制器的比例放大系数；

Ti表示控制器的积分时间；

Td表示控制器的微分时间。

舵系统控制性能的提高主要取决于对比例放大系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td的参数整定，传统的参数整定方法需要对三个参数逐一调整，对于很多被控系统而言，有可能一些控制系统现实条件不允许对三大参数逐一调整，甚至可能在调试过程中破坏被控系统，加之费时费力，延误研发周期，因此快速整定PID三大参数对于系统十分必要。

发明内容

本发明解决了现有技术的不足，提供一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，能够实现对PID控制器三大参数(比例放大系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td)快速整定。

本发明所采用的技术方案是：一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，采用ARM处理器作为控制芯片，利用其支持硬件浮点运算来加载PID算法，通过SPI总线来采集舵系统位置信息，串口中断来接收目标位置信息，定时中断形成系统控制周期；

PID控制器的理想算式如下：

$u\left(t\right)=Kp\[e\left(t\right)+\frac{1}{Ti}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+Td\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

式中：u(t)为控制器的输出；

e(t)为控制器的输入；

Kp为控制器的比例放大系数；

Td为控制器的积分时间；

Td为控制器的微分时间；

其中：Kp＝0.6Km；

Ti＝4w/∏

Td＝w/∏

式中：Km为比例控制系数；

W为振荡周期。

具体包括以下步骤：

步骤一、通过ARM处理器的SPI总线采集获得位置信息，并对位置信息进行滤波获取准确的实际位置信息；

步骤二、通过ARM处理器的串口中断接收目标信息；

步骤三、对实际位置信息与目标位置信息求差作为PID控制的e(t)；

步骤四、将PID控制的积分项与微分项参数均设置为0，比例参数Kp从小到大依次递增，直至系统出现周期振荡，记录此时的比例系数Km和振荡周期w；

步骤五、通过比例系数Km与振荡周期w计算出Kp、Ti及Td；

步骤六、通过Kp、Ti及Td计算出u(t)。

相较于现有技术，本发明具有的有益效果：可以快速高效地确定PID控制的参数，缩短了研发周期，提高了工作效率，而且不用反复调试PID参数，保护了舵系统因调试而导致的破坏。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，采用ARM处理器作为控制芯片，利用其支持硬件浮点运算来加载PID算法，通过SPI总线来采集舵系统位置信息，串口中断来接收目标位置信息，定时中断形成系统控制周期；

PID控制器的理想算式如下：

$u\left(t\right)=Kp\[e\left(t\right)+\frac{1}{Ti}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+Td\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

式中：u(t)为控制器的输出；

e(t)为控制器的输入；

Kp为控制器的比例放大系数；

Td为控制器的积分时间；

Td为控制器的微分时间；

其中：Kp＝0.6Km；

Ti＝4w/∏

Td＝w/∏

式中：Km为比例控制系数；

W为振荡周期。

具体包括以下步骤：

步骤一、通过ARM处理器的SPI总线采集获得位置信息，并对位置信息进行滤波获取准确的实际位置信息；

步骤二、通过ARM处理器的串口中断接收目标信息；

步骤三、对实际位置信息与目标位置信息求差作为PID控制的e(t)；

步骤四、将PID控制的积分项与微分项参数均设置为0，比例参数Kp从小到大依次递增，直至系统出现周期振荡，记录此时的比例系数Km和振荡周期w；

步骤五、通过比例系数Km与振荡周期w计算出Kp、Ti及Td；

步骤六、通过Kp、Ti及Td计算出u(t)。

需要说明的是，

本发明采用的主控芯片是ST公司出品的stm32f303vct6芯片，该芯片基于ARMCortex-M4内核，主频72MHZ，支持硬件浮点运算，大大提高了运算速度，对于搭载PID算法十分合适，拥有AD、DA、定时器、串口、SPI、I2C等诸多外设，满足舵系统控制的所有功能。舵系统工作时，位置信息通过ARM处理器的SPI总线采集获得，将采集获得的位置信息进行滤波以获取准确可靠的位置，舵系统的目标信息通过ARM处理器的串口中断接收而来，将实际位置信息与目标位置信息求差作为PID控制的e(t)，所有e(t)的累加和作为积分项，相邻两次的e(t)之差作为微分项，调试时先只让比例项发挥作用，积分微分参数均设置为0，将比例参数Kp从小到大依次递增，直至系统出现周期震荡，记录此时的比例系数Km和震荡周期w，将此带入第二组公式中即可获得Kp、Ti、Td三大参数的值，按照第一组公式进行计算获得u(t)，根据计算出的u(t)线性控制PWM的占空比，用于控制舵系统按照目标角度以PWM占空比的速度靠近，形成数字式闭环控制回路。

该舵系统控制参数整定方法已成功应用于工程实践中，跟踪20°阶跃信号的超调只有1％，反应时间不到50ms；跟踪幅值为1°频率为15HZ的正弦波相移只有49°，控制性能良好。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明的实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，采用ARM处理器作为控制芯片，利用其支持硬件浮点运算来加载PID算法，通过SPI总线来采集舵系统位置信息，串口中断来接收目标位置信息，定时中断形成系统控制周期；

PID控制器的理想算式如下：

$u\left(t\right)=Kp\[e\left(t\right)+\frac{1}{Ti}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+Td\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

式中：u(t)为控制器的输出；

e(t)为控制器的输入；

Kp为控制器的比例放大系数；

Td为控制器的积分时间；

Td为控制器的微分时间；

其中：Kp＝0.6Km；

Ti＝4w/∏

Td＝w/∏

式中：Km为比例控制系数；

W为振荡周期。

2.一种基于ARM的舵系统PID控制参数快速整定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过ARM处理器的SPI总线采集获得位置信息，并对位置信息进行滤波获取准确的实际位置信息；

步骤二、通过ARM处理器的串口中断接收目标信息。

步骤三、对实际位置信息与目标位置信息求差作为PID控制的e(t)；

步骤四、将PID控制的积分项与微分项参数均设置为0，比例参数Kp从小到大依次递增，直至系统出现周期振荡，记录此时的比例系数Km和振荡周期w；

步骤五、通过比例系数Km与振荡周期w计算出Kp、Ti及Td；

步骤六、通过Kp、Ti及Td计算出u(t)。