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江汉大学

基于ARM的智能PID控制系统

姓名：杨威

学院:物理与信息工程

专业：测控技术与仪器

学号：200807202123

基于ARM的智能PID控制系统

摘要：比例-积分-微分(PID)是过程控制中最常用的一种控制算法。算法

简单而且容易理解，应用十分广泛。但由于应用领域的不同，功能上差别很大，

系统的控制要求及关心的控制对象也不相同。数字PID控制比连续PID控制更为

优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修

正而得到更完善的数字PID算法。本文旨在提出一种智能数字PID控制系统的设

计思路，并给出了初步的硬软件设计思路。

PID控制系统采用高性能、低功耗的ARM微处理器S3C4480作为核心处理单

元，内部的10位ADC作为信号采集模块，采用了矩阵键盘和640*480的液晶作为

人机接口。采用芯片内部自带的PWM模块，输出16MHzPWM信号并经过一阶低通

滤波器得到4～20mA(0～5V)的控制信号用于触发主电路控制器，实现PID整定。

关键词：PID控制；ARM；

课题背景与意义

PID控制算法是最通用的控制策略，在工业过程控制中95％以上的控制

回路具有PID结构，算法简单。传统的PID整定方法是在获取对象数学模型的基

础上，根据某一整定原则来确定PID参数，只要对象数学模型精确，且是非时变

的，其整定的参数可以固定不变，控制效果一般能满足要求。然而在实际的过

程控制系统中，许多被控过程机理较复杂，具有严重非线性，时变不确定性、

大延迟等特点，在噪声，负载扰动等因素的影响下，过程参数，甚至模型结构，

均会发生变化，难以建立精确的数学模型。因此，若采用常规PID参数整定方法，

往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性较差，控制效果不理想。因此，

针对那些非线性，大时变，大延迟等被控对象，不仅要求PID参数的整定不依赖

于对象数学模型，而且要求PID参数能在线调整，以满足控制要求。所以设计一

种智能的PID控制系统，以适应复杂工况和高性能的控制要求，具有十分重要的

意义。

数字PID技术是针对模拟PID的缺点而提出的新的控制策略，它主要通

过给定值及采集的反馈信号计算出输出控制量的值，以实现闭环控制。与模拟

PID控制相比，数字PID具有参数灵活，工作可靠等优点，但是要实现非常精确

的控制，就需要处理器具有较快的速度，强大的计算能力，并且要求反馈信号

采集及控制信号输出具有较高的分辨率。

ARM是一种典型的嵌入式微控制器，性能高、成本低、功耗小，适合于

多种领域。ARM结构是基于精简指令集(RISC)原理而设计的，能实现较高的指令

吞吐量，出色的实时中断响应，并且能够支持Linux、WindowsCE等操作系统。

本设计中所采用的S3C44BOX是三星公司推出的ARM7内核处理器。针对各种工业

过程控制的实际需要，寻求适合于实际问题的PID参数整定算法，然后利用合适

的微处理器实现，提出一种智能PID控制系统解决方案，可以应用于多种场合，

具用重要的理论意义和使用价值。

本次设计的控制对象为单变量系统，智能控制系统采集回路电压，经运

算输出PWM波，滤波出O-5v的直流量。采样时间为0．5ms，pWM波频率16Mhz，主

电路电压控制精度2．5v，控制系统具备计时器和通信功能，可以保存整定参数，

LCD屏幕显示，键盘式操作。

PID控制系统设计思路

从20世纪70年代单片机出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制

器的太规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。本次设计采用了标

准的嵌入式系统的设计模式。嵌入式系统是一种基于微控制器、软件驱动的可

靠实时控制系统，以人工的、自治的或者网络的方式进行交互，对各种物理变

量进行操作。一般而占，嵌入式系统的构架如图1．1。硬件设计主要是实现设

计功能所需要的各种功能模块的硬件设计。完成了硬件设计之后，就可以进行

编程，实现设计的功能了。

控制策略采用了单闭环增量式数字PID，PID参数整定方法采用了简易工

程法：规一化参数整定法。它是RobertsPD在1974年提出的一种简化扩充临界

比例度整定法，该方法只需整定一个参数，故称其为规一化参数整定法。

本文的主要研究内容

如前所述，PID控