【正文】 。這是面向比例項用的變動數(shù)據(jù)。累計偏差：∑e(t)= e(t) + e(t1) + e(t2)+…….+e(1),這是我們每一次測量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負符號的運算，這是面向積分項用的變動數(shù)據(jù)?；酒畹南鄬ζ睿篹(t) – e(t1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當前控制的對象的趨勢，作為快速反應的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)。 比例調節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節(jié)就進行，直至無差，積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一常值。微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 PID的控制 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)(openloopcontrolsystem)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量以形成任何閉反送回來的閉環(huán)回路。 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloopcontrolsystem)的特點是系統(tǒng)被控對象輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負反饋(NegativeFeedback),若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋,又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例,當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈,并在洗凈之后能自動切斷電源,它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 階躍響應　　階躍響應是指將一個階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時,系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability),一個系統(tǒng)要能正常工作,首先必須是穩(wěn)定的,從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steadystateerror)描述,它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應的快速性,通常用上升時間來定量描述。 PID控制的原理和特點　　在工程實際中,應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史,它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學模型時,控制理論的其它技術難以采用時,系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定,這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制技術。PID控制,實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 (1)比例（P）控制　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystateerror）。(2)積分（I）控制　　在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteadystateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣,即便誤差很小,積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分（D）控制　　在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件,具有抑制誤差的作用,其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”,即在誤差接近零時,抑制誤差的作用就應該是零。這就是說,在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的,比例項的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加的是“微分項”,它能預測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例+微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零,甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程實驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。第3章 系統(tǒng)的硬件設計 該系統(tǒng)是以AT89C52單片機為主控制器的智能化溫度控制系統(tǒng)。采用定時檢測和調節(jié)的方式。首先由定時器或軟件定時，定時時間到后啟動智能溫度傳感器對溫度進行檢測，測量結果送CPU，并在CPU的控制下顯示結果。利用鍵盤輸入控制目標。CPU把測量的結果與給定值比較，進行PID計算，然后根據(jù)計算結果輸出DAC信號，并加上反相器使輸出電壓范圍為0～5V，通過在固態(tài)繼電器前端連入電阻使電壓變?yōu)?～，固態(tài)繼電器在該電壓范圍內(nèi)線性工作，輸出的電壓控制繼電器的通導，對爐溫進行調節(jié)。整個系統(tǒng)構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使爐溫控制在預定的范圍之內(nèi)。溫度采集部分采用DS18B20測溫，它是單線智能溫度傳感器，不需要A/D轉換，可以直接測量出數(shù)字式的溫度值送入主控制器。采集溫度時對DS18B20進行初始化，然后執(zhí)行ROM操作命令，再執(zhí)行暫存器操作命令，最后完成數(shù)據(jù)處理。通過鍵盤向CPU輸入用戶設定的報警溫度上限值和下限值，完成溫度轉換之后，DS18B20就把測得的溫度值同上下限值比較，如果超出所設定的范圍，將該器件的報警標志位置位，并對CPU發(fā)出的報警搜索命令做出響應。該傳感器使用同步串行總線接口技術，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送，數(shù)據(jù)接收設備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉換成并行形式進行存儲和處理。同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。通過主控制器的定時器建立一個30μs的同步脈沖實現(xiàn)與溫度檢測回路的通信。CPU經(jīng)過單線接口訪問DS18B20，CPU對ROM操作完畢，即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測量并將結果存入高速暫存器中，然后讀出該結果。由繼電器及其外部電路如D/A轉換等實現(xiàn)對溫度的控制功能。 AT89C52是低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片上帶有8KFlash存儲器，且允許在系統(tǒng)改寫或用編程器編程。另外，AT89C51的指令系統(tǒng)和引腳80C52完全兼容。所以，AT89C52單片機應用極為廣泛。單片機在開機時都需要復位，以便CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。AT89C52的RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。本系統(tǒng)中時鐘頻率為12MHz，復位脈沖寬度至少應為2μs。 主控器與傳感器的連接電路由AT89C52根據(jù)總線的接口規(guī)范向智能溫度傳感器發(fā)送諸如啟動轉換、設置配置寄存器、讀取溫度等命令。智能溫度傳感器則向AT89C52回送當前溫度值等數(shù)據(jù)。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸完全是串行的。主控制器與溫度檢測系統(tǒng)使用同步串行總線通信，串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送，數(shù)據(jù)接收設備將接收到的串行形式數(shù)據(jù)轉換成并行形式進行存儲和處理。同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。發(fā)送方對接收方的同步通過外同步來實現(xiàn)。發(fā)送方在每個比特周期都向接收方發(fā)送一個同步脈沖。接收方根據(jù)這些同步脈沖來完成接收過程。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。單線總線在空閑狀態(tài)下呈高電平。操作單線總線時，必須從空閑狀態(tài)開始。單線總線加低電平的時間超過480μs時，總線上所有的器件都被復位。通信協(xié)議規(guī)定了復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫讀0、讀1等幾種信號的時序。除了應答脈沖，其余信號均由CPU控制。寫時序包括寫“0”時序和寫“1”時序。所有寫時序都至少需要60μs，且在兩次獨立的寫時序之間至少需要1μs的恢復時間。兩種寫時序均起始于主機拉低總線。對于寫“1”時序，主機在拉低總線后，接著必須在15μs內(nèi)釋放總線，由上拉電阻將總線拉至高電平；而對于寫“0”時序，在主機拉低總線后，只需要在整個時序內(nèi)保持低電平即可（至少60μs）。在寫時序開始后的15～60μs期間內(nèi)，保持單線器件采樣總線電平狀態(tài)。如果在此期間采樣為高電平，則對該器件寫入邏輯1，低電平則寫入邏輯0。只有在主機啟動了讀時序后，器件才向主機傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主機給單線器件發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便器件能傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時序需要至少60μs，且在兩次獨立的讀時序之間需要1μs的恢復時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，拉低總線至少1μs，然后釋放單線。在主機發(fā)起讀時序之后，單線器件開始在總線上發(fā)送0或1。若其發(fā)送1，則保持總線為高電平。若發(fā)送0，則器件拉低總線，在該時序結束后釋放總線，由上拉電阻將總線拉回空閑高電平狀態(tài)。從機發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時序之后15μs內(nèi)保證可靠有效。因此主機在讀時序期間必須釋放總線，并且要在時序開始后的15μs內(nèi)完成采樣總線狀態(tài)。每次的命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機啟動寫時序開始的，如果要求單線器件回送數(shù)據(jù)，在進行完寫命令后，主機需要啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。在對一位的“0”和“1”規(guī)定好時序后，命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送就表現(xiàn)為多個“0”、“1”在時間上的排列。主CPU經(jīng)過單線接口訪問DS18B20的工作流程為：對DS18B20進行初始化，接著進行ROM操作命令，然后進行存儲器操作命令，最后對數(shù)據(jù)處理。CPU對ROM操作完畢即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測量并將測量結果存入高速暫存器中，然后讀出結果。當DS18B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后。當符號位S=0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉換為十進制；當符號位S=1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制值。一旦CPU檢測到從屬器件的存在，就發(fā)出ROM命令。所有ROM操作命令均為8位字長。主CPU對ROM的操作命令有以下5種：(1)讀ROM命令。該命令允許CPU讀取DS18B20中的8位產(chǎn)品系列編碼、48位序列號以及8位的CRC。只有在總線上存在DS18B20(溫度采集)的時候才能使用這個命令。(2)符合ROM命令。主CPU在發(fā)出“符合”ROM命令后，接著送出64位ROM數(shù)據(jù)序列，從而使CPU實現(xiàn)對單線總線上特定DS18B20的尋址。(3)搜索ROM命令。允許主CPU使用“消除法”識別總線上所有DS18B20的64位ROM編碼，完成整個系統(tǒng)的初始化工作。(4)跳過ROM命令。該命令使主CPU不必提供64位ROM編碼就能訪問DS18B20。在單線總線的情況下可以節(jié)省時間。(5)報警搜索命令。該命令僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)報警的情況下，DS18B20才對該命令做出響應。報警條件定義為溫度高于TH或者低于TL。只要DS18B20不掉電，報警狀態(tài)將一直保持，直到再一次測得的溫度值達不到報警條件。 D/A轉換由于計算機采集與處理的是數(shù)字量，而受控對象需要的是模擬量信號，所以需要進行D/A轉換。D/A轉換器是一種能把數(shù)字量轉換成模擬量的電子器件。DAC的種類繁多，DAC0832是常用的一種，由美國國民半導體公司研制，是一個8位單片D/A轉換器。 DAC0832的硬件電路DAC0832主要由兩個8位寄存器和一個8位D/A轉換器組成。8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制。8位DAC寄存器用于存放等待轉換的數(shù)字量，由控制。8位D/A轉換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡和電子開關組成，