【正文】 數(shù)字PID的控制量。當(dāng)然，也可以用多級PID嵌套。 單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計盡管單片機集成度高，內(nèi)部含有I/O控制線，ROM，RAM和定時/計數(shù)器。但在組成單片機系統(tǒng)時，擴展若干接口仍是設(shè)計者必不可少的任務(wù)。擴展接口有兩種方案，一種是購置現(xiàn)成的接口板，另一種是根據(jù)系統(tǒng)實際需要，選用適合的芯片進行設(shè)計控制系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)的構(gòu)成：一個獨立的單片機核心系統(tǒng)，一般由時鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲器擴展、模擬量輸入通道的擴展、模擬量輸出通道的擴展、開關(guān)量的I/O接口設(shè)計、鍵盤輸入和顯示電路等組成。 存儲器拓展由于單片機有四種不同的存儲器，且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分別編址的，所以單片機的存儲器容量與同樣位數(shù)的微型機相比擴大了一倍多。擴展時，首先要注意單片機的種類；另一方面要把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開。 模擬量輸入通道的拓展主要有以下2個問題：一個是數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式，一般單片機控制系統(tǒng)都是多通道系統(tǒng)。因此選用何種結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)，是進行模擬量輸入通道設(shè)計首先要考慮的問題。多數(shù)系統(tǒng)都采用共享A/D和S/H形式。但是當(dāng)被測參數(shù)為幾個相關(guān)量時，則需選用多路S/H，共享A/D形式。對于那些參數(shù)比較多的分布式控制系統(tǒng)，可把模擬量先就地進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送到主機中處理。對于那些被測參數(shù)相同（或相似）的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為減少投資，可采用模擬量多路轉(zhuǎn)換，共享儀用放大器、S/H和A/D的所謂地電平多路切換形式。另外一個問題是A/D轉(zhuǎn)發(fā)器的選擇，設(shè)計時一定要根據(jù)被控對象的實際要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選用位數(shù)比較低的A/D轉(zhuǎn)換器。 模擬量輸出通道的拓展模擬量輸出通道是單片機控制系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)（或控制設(shè)備）連接的紐帶和橋梁。設(shè)計時要根據(jù)被控對象的通道數(shù)及執(zhí)行機構(gòu)的類型進行選擇。對于那些可直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機構(gòu)，可由單片機直接輸出數(shù)字量，如步進電機或開關(guān)、繼電器系統(tǒng)等。對于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機構(gòu)，則需要用D/A轉(zhuǎn)化，即把數(shù)字量變成模擬量后，再帶動執(zhí)行機構(gòu)。 開關(guān)量的I/O接口設(shè)計由于開關(guān)量只有2種狀態(tài)“1”或“0”，所以，每個開關(guān)量只需一位二進制數(shù)表示即可。因為MCS—51系列單片機設(shè)有一個專用的布爾處理機，因而對于開關(guān)量的處理尤為方便。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把單片機與外部設(shè)備隔開。 操作面板操作面板是人機對話的紐帶，它根據(jù)具體情況，可大可小。為了便于現(xiàn)場操作人員操作，單片機控制系統(tǒng)設(shè)計一個操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是誤操作也不會給生產(chǎn)帶來惡果。 系統(tǒng)速度匹配在不影響系統(tǒng)總功率的前提下，時鐘頻率選得低一些較好，這樣可降低系統(tǒng)對其他元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。但系統(tǒng)頻率選的比較高時，要設(shè)法使其他元器件與主機匹配。 系統(tǒng)負(fù)載匹配系統(tǒng)中各個器件之間的負(fù)載匹配問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。①邏輯電路間的接口及負(fù)載：在進行系統(tǒng)設(shè)計時，有時需要采用TTL和CMOS混合電路，由于二者要求的電平不一樣，因此一定要注意電流及負(fù)載的匹配問題。②MCS—51系列單片及負(fù)載：8031的外部擴展功能是很強的，但是8031的P0口和P2口以及控制信號ALE的負(fù)載能力都是有限的，P0口能驅(qū)動8個LSTTL電路，P2口能驅(qū)動4個LSTTL電路。硬件設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)核對8031的負(fù)載，使其不超過總的負(fù)載能力的70%。單片機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計一般分2類，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是：管理整個控制系統(tǒng)的全過程，比如，POWERUP自診斷功能，KEY INPIT 的管理功能，PRINTER OUTPUT報表功能，DISPLAY功能等等。是控制系統(tǒng)的核心程序，也稱之為MONITER監(jiān)控管理程序其作用類似PC機的DOS 系統(tǒng)。 保證可靠性可靠性設(shè)計為保證系統(tǒng)軟件的可靠性，通常設(shè)計一個自診斷程序，定時對系統(tǒng)進行診斷。在可靠性要求較高的場合，可以設(shè)計看門狗電路，也可以設(shè)計軟件陷阱，防止程序跑飛。 軟硬件折中問題軟件設(shè)計與硬件設(shè)計的統(tǒng)一性在單片機系統(tǒng)設(shè)計中，通常一個同樣的功能，通過硬件和軟件都可以實現(xiàn)，確定哪些由硬件完成，哪些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折中問題。一般來說，在系統(tǒng)可能的情況下，盡量采用軟件，因為這樣可以節(jié)省經(jīng)費。若系統(tǒng)要求實時性比較強，則可采用硬件。 應(yīng)用軟件的特點①實時性：由于工業(yè)過程控制系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以對應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時間間隔內(nèi)對系統(tǒng)進行控制、計算和處理。換言之，要求整個應(yīng)用軟件必須在一個采樣周期內(nèi)處理完畢。所以一般都采用匯編語言編寫應(yīng)用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統(tǒng)，也可以采用高級語言和匯編語言混合使用的辦法，即數(shù)據(jù)采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語言，而對于那些較為復(fù)雜的計算可采用高級語言。為了提高系統(tǒng)的實時性，對于那些需要隨機間斷處理的任務(wù)，通常采用中斷系統(tǒng)來完成。 ②通用性：在應(yīng)用程序設(shè)計中，為了節(jié)省內(nèi)存和具有較強的適應(yīng)能力，通常要求程序有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結(jié)構(gòu)，盡量將共用的程序編寫成子程序，如算術(shù)和邏輯運算程序、A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序、延時程序、PID運算程序、數(shù)字濾波程序、標(biāo)度變換程序、報警程序等。 軟件開發(fā)步驟軟件開發(fā)大體包括：劃分功能模塊及安排程序結(jié)構(gòu)；畫出各程序模塊詳細(xì)流程圖；選擇合適的語言編寫程序；將各個模塊連接成一個完整的程序。 硬件調(diào)試根據(jù)設(shè)計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調(diào)試階段。調(diào)試工作的主要任務(wù)是排除樣機故障，其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障。 ① 脫機檢查：用萬能表或邏輯測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各引腳的連接是否正確，檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。 ② 仿真調(diào)試：暫時排除目標(biāo)板的CPU和EPROM，將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調(diào)試，調(diào)試各部分接口電路是否滿足設(shè)計要求。這部分工作是一種經(jīng)驗性很強的工作，一般來說，設(shè)計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調(diào)試的。通常的方法是，先編調(diào)試軟件，逐一檢查調(diào)試硬件電路系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)確性。其次是調(diào)試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應(yīng)用軟件調(diào)試。 硬件電路調(diào)試的一般順序是： ① 檢查CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。 ② 檢查ABUS/DBUS的分時復(fù)用功能的地址鎖存是否正常。 ③ 檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構(gòu)成，如是部分譯碼設(shè)計，則排除地址重疊故障。 ④ 對擴展的RAM、ROM進行檢查調(diào)試。一般先后寫入55H、AAH，再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過‘0’、‘1’代碼。⑤ 用戶級I/O設(shè)備調(diào)試。如面板、顯示、打印、報警等等。 軟件調(diào)試軟件調(diào)試根據(jù)開發(fā)的設(shè)備情況可以有以下方法： ① 交叉匯編：用IBM PC/XT機對MCS—51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBM PC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規(guī)定的格式輸入到PC機，生成MCS—51 HEX目標(biāo)代碼和LIST文件。 ② 用匯編語言：現(xiàn)在有些單片STD工業(yè)控制機或者開發(fā)系統(tǒng)，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調(diào)試。 ③ 手工匯編：這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調(diào)試方法，且不必增加調(diào)試設(shè)備。這種方法的實質(zhì)就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調(diào)試。在進行手工匯編時，要特別注意轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、查表指令。必須準(zhǔn)確無誤地計算出操作碼、轉(zhuǎn)移地址和相對偏移量，以免出錯。 以上3種方法調(diào)試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標(biāo)代碼寫入EPROM中，并將其插至機器的相應(yīng)插座上，系統(tǒng)便可投入運行。本次設(shè)計是在Keil μVision3環(huán)境下編程編譯，通過UEC5燒寫器，可以把程序?qū)懙絾纹瑱C里。 硬件、軟件仿真調(diào)試經(jīng)過硬件、軟件單獨調(diào)試后，即可進入硬件、軟件聯(lián)合仿真調(diào)試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試。實驗室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現(xiàn)場進行運行和進一步調(diào)試，并根據(jù)運行及調(diào)試中的問題反復(fù)進行修改。第三章PID控制器PID原理在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)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(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)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(shù)。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(guān)系。當(dāng)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(guān)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（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(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)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(yīng)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(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對