内容发布更新时间 : 2024/11/20 16:35:53星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

定的方法很多，概括起来有两大类： 1. 理论计算整定法

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 2. 工程整定方法

它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数， 都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： (1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID调试一般原则

a.在输出不振荡时，增大比例增益P。 b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

PID调试一般步骤 a. 确定比例增益P

确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的 60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定 PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。 b. 确定积分时间常数Ti

比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。 c. 确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

d. 系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

变速积分的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；反之则越快，有利于提高系统品质。

PWM波的产生

PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节一般采用硬件来实现。如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路[1]等，则成本高、响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。另外，控制系统中的信号采样通常是由A/D转换器来完成，因此检测精度要求较高时，调理电路复杂，而且因A/D的位数高，从而使设计的系统成本居高不下。

本文以应用于温度控制系统为例，介绍利用Motorola公司生产的新型单片机MSP430F413内的定时器Time_A设计可以用时间量进行温度采样以及实现PWM调节的方法。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高精度测量和控制，一方面用时间量采样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据的通信和显示。该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线计算和计算精度问题，可精确、实时地计算设定频率下的脉冲宽度。

1 单片机MSP430F413及定时器 MSP430系列的单片机F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性，它的实时处理能力及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域[2]。MSP430F413中通用16位定时器Timer_A有如下主要功能模块。

(1)一个可连续递增计数至预定值并返回0的计数器。 (2)软件可选择时钟源。

(3)5个捕获/比较寄存器，每个有独立的捕获事件。 (4)5个输出模块，支持脉宽调制的需要。

定时器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定义16位定时器的基本操作，可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式。另外还有清除功能和溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx的操作相同，它们通过各自的控制寄存器CCTLx进行配置。

2 时间量采样及PWM控制的实现原理 以应用于温度控制系统为例，介绍用定时

器实现信号采样和PWM控制的方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电路、负载驱动电路及电源控制、低电压检测和显示电路等其他外围部分。

单片机MSP430F413中用于测量和控制温度的主要I/O口有： P1.0：输出50Hz方波，用于产生三角波。

P1.2：驱动温度控制执行元件，2kHz方波PWM输出。 P2.0：脉宽捕捉。

2.1 单片机端口的中断设置 温度控制系统的50Hz方波输出、PWM输出和输入捕捉都是由定时中断来实现。这3个中断分别由P0、P1和P2口的外围模块引起，属于外部可屏蔽中断。初始化时，对这3个I/O口进行中断设置，并对Time_A控制寄存器TACTL设置，包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获/比较寄存器后，重新赋值TACTL，启动定时器，开始连续递增计数。 2.2 脉宽捕捉实现温度值的采样 温度测量电路将温度值转换为电压值，同时单片机产生的50Hz方波经电容充放电电路变换得到同频率的三角波，其电压值切割三角波，从而将温度值转换为相应宽度的脉冲送入单片机。波形变化如图1所示。

通过设置CCTLx中的模式位，可将对应的捕获/比较寄存器CCRx设定为捕获模式，用于时间事件的精确定位。如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿，则定时器计数的值将被复制到CCRx中。根据这一原理，选定P2.0为输入引脚，设置CCTL2为捕获模式，所测温度值由模拟量经测量电路转换为脉冲后，P2.0捕捉脉冲下降沿，进入中断T2，得到与温度值一致的单位时间内的脉冲数，存入CCR2作进一步处理。

这样，系统就在不使用A/D转换器的情况下完成了模数转换。因为单片机的时钟精确度高，而且时间量是一个相对精度极高的量，但本系统中用时间量进行温度采样可获得12位的高精度，同时采用50Hz脉冲，可以大大消除工频干扰。这些都为进行精确的温度控制提供了必要的条件。

2.3 PWM信号生成原理 将捕获/比较寄存器CCR0和CCR1定义为比较模式，它们的输出单元OUT0和OUT1分别对应单片机引脚P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。进入比较模式后，如果定时器CCRx的计数值等于比较寄存器x中的值，则比较信号EQUx输出到输出单元OUTx中，同时根据选定的模式对信号置位、复位或翻转。其中：设置EQU0将OUT0信号翻转，信号时钟与定时器时钟同步，这样就可以在P1.0引脚上得到50Hz的方波信号；设置EQU1输出模式为PWM复位/置位。 设定模式下定时中断的输出如图2所示。根据设定的PWM复位/置位模式，若CCR1计数器溢出，则EQU1将OUT1复位；若CCR0计数器溢出，则EQU0将OUT1置位。利用CCR0和CCR1计数起始点的差值，实现占空比的变化，从而在P1.2上完成PWM输出。系统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的。定时器时钟为2MHz、CCR1和CCR0的计数值为1 000时，可获得2kHz的PWM输出频率。负载驱动电路将单片机P1.2引脚输出的PWM信号放大滤波，用于驱动大功率的执行元件。

3 软件设计 3.1 系统主程序 在主程序中包括系统初始化、定时器的初始化、温度采样值的读入、负载驱动和显示等。系统进行温度值采样和PWM输出均在定时中断内完成，PWM输出脉冲的占空比则由PID算法得到。系统主程序流程图如图3所示。