基于DSP的双容水箱液位控制系统设计(2)
传统的液位控制的方法通常是采用液位辨识技术，用一阶纯滞后系统近似等效复杂的实际系统，选择控制算法及控制器[1]。工程上应用最为普遍的是PID算法，但针对液位控制过程中的大滞后、时变等特性，传统的PID算法在控制精度、快速方面尚有所欠缺，尤其当液位变化范围较大时，控制效果不佳。因此在控制过程中需要对PID的三个调节参数进行调节，否则会产生液位在一定范围内振荡的现象，控制精度受到影响。实践中也证实，在双容水箱模型的液位控制过程中，由于液位具有较大的容积滞后，控制对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间等等诸多因素，需要对PID的三个参数不断进行整定。而新兴的模糊控制，不需要知道准确的数学模型，是模仿人的思文创建的控制方法。模糊PID控制系统，具备PID控制精度高的优点以及模糊控制的灵活性和适应性强优点。
随着时代的发展，工业生产过程对实时液位控制的要求越来越高，信号传输也越来越向高速化、大容量发展，对于高速采集的数据需要对应的处理方法。目前的数字信号处理器(DSP)技术正飞速发展，其运算能力越来越强大，在控制领域应用广泛。例如美国TI公司旗下产品2000系列的数字信号处理器芯片，由于其运算速度快、实时性强、功耗较低、抗干扰能力强等优势，已经在不同的控制领域被采用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 控制器
1.2.2 DSP的数据采集、存储和输出应用
1.3 本文主要工作
DSP具有快速运算能力，在信号采集方面准确、高效，双容水箱液位控制系统采用DSP作为核心，将更加适应当前生产的需求和发展。故本课题以THJ-3型高级过程控制系统实验装置中双容水箱为平台，在控制器的设计上以数字信号处理器DSP芯片TMS320F28335为核心，设计液位控制程序。
具体如下：
1）本课题以THJ-3型高级过程控制系统实验装置中双容水箱为控制对象，根据双容水箱特性，选择合适的控制方法；
2）设计系统硬件上选择DSP芯片TMS320F28335；学习C语言以及DSP的相关知识，重点学习DSP数模转换器ADC以及SPI串行输出，熟悉CCS软件的各项功能；
3）设计模糊PID算法，利用CCS软件使用C语言进行编程；
4）完成双容水箱液位控制系统设计，运用到THJ-3型高级过程双容水箱控制系统平台并调试运行，完善设计。
2 模糊PID控制方法
2.1 PID算法
PID在长期的发展与改进中，技术趋向于成熟，在连续系统中应用最为广泛。其控制原理如图2.1所示。
图2.1 PID调节原理图
在模拟系统中，PID算法的表达式如公式（1）所示：
将式（1）写成传递函数的形式，如式（2）所示：
式中： ， ，其中T为采样周期。
由于数字式调节器能进行的运算一般比较简单，对于复杂的运算（如积分、微分运算等），需要变出简单的加、减、乘、除运算。数字调节器按照一定的采样时间，从生产过程中取得信号，并把运算结果输出到执行机构，将连续的时间函数转化成离散的时间函数，式（2） 转化成差分方程式，如式（6）所示：
令
令 ， ， 等依此类推，则当 时，有 （6）
PID调节器的三个环节具体作用如下：
比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即输出一个结果，从而保证系统的快速性；
积分环节：积分环节主要针对于系统的静态误差，积分时间常数Ti决定了积分作用的强弱，Ti越大时，积分作用越弱，反之越强。
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