【正文】 第一章 緒論 前言21世紀，科學技術(shù)日新月異，科技的進步帶動了控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制技術(shù)成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領(lǐng)域?？刂评碚摰陌l(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。其控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構(gòu)、加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經(jīng)過傳感器、變送器、通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)、傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用。受益于數(shù)十年來全球經(jīng)濟高速成長所獲得的PID控制成果,在中國市場，一大批機器設備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場龐大的機器設備需求外，走向國際市場，參與國際競爭也成為現(xiàn)實需求。在應用方面，這種控制技術(shù)已經(jīng)滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)、物流配送、飲料生產(chǎn)等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學習、掌握與應用先進的控制技術(shù)與解決方案，以提升設備性能、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運動控制及過程控制方面PID控制技術(shù)的應用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進步，人們對生活舒適性的追求將越來越高，PID控制技術(shù)作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù)，正越來越受到國內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。 直流電動機控制的發(fā)展歷史常用的控制直流電動機有以下幾種:第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍。在響應快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機的應用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的SIMOREG K 6RA2ABB公司的PAD/PSD等等。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應用領(lǐng)域也不斷擴大。例如，軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設備，數(shù)控機床，工業(yè)機器人，塑料機械，印刷機械，繞線機，紡織機械，工業(yè)縫紉機，泵和壓縮機等設備的控制；計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅(qū)動器，各種光盤驅(qū)動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復印機等設備的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。隨著計算機，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機應用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動機控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進步使電動控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機，交流伺服電動機，超聲波電動機等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(tǒng)。所以應用先進控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運動控制系統(tǒng)將成為新一代運動控制系統(tǒng)設計的發(fā)展方向。在那些對電動機控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機床，工業(yè)縫紉機，磁盤驅(qū)動器，打印機，傳真機等設備中，要求電動機實現(xiàn)精確定位，適應劇烈負載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡化，信息化，模糊化的方向不斷前進。數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應用前景。國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應用產(chǎn)品。我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有:綜合性最優(yōu)控制，補償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應用模糊控制技術(shù)。隨著新型電力半導體器件的發(fā)展，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。因此我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation,簡稱PWM）方向發(fā)展。我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。第二章 單片機的介紹 單片機自20世紀70年代問世以來，作為微型計算機的一個重要分支，得到了快速的發(fā)展。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，已經(jīng)滲透到了社會生活的各個領(lǐng)域。單片機（singlechip microputer）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等）的微處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入輸出接口電路（I/O）、串行通信口（SCI）、脈寬調(diào)制電路（PWM）、定時計算器、A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊半導體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效的完成設計者事先規(guī)定的任務，這樣的一塊具有一臺計算機的屬性，可以構(gòu)成一個最小而完善的的計算機系統(tǒng)的電路芯片就稱為單片微型計算機，簡稱單片機。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS（互補金屬氧化物半導體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。CMOS化 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。低功耗化 單片機的功耗已從Ma級，甚至1uA以下；使用電壓在3~6V之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。低電壓化 幾乎所有的單片機都有WAIT、STOP等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在3~6V范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達1~2V。低噪聲與高可靠性 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求。大容量化 以往單片機內(nèi)的ROM為1KB～4KB，RAM為64～128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領(lǐng)域的要求，運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前，單片機內(nèi)ROM最大可達64KB，RAM最大為2KB。高性能化 主要是指進一步改進CPU的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運行速度。小容量、低價格化 與上述相反，以4位、8位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。外圍電路內(nèi)裝化 這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅(qū)動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。串行擴展技術(shù) 在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位OTP（One Time Program）及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加之外圍接口不斷進入片內(nèi)，推動了單片機“單片”應用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是IC、SPI等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。單片機把微型計算機的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個微型計算機。因此，單片機具有以下特點:（1）較高的性價比 目前國內(nèi)市場上，有些單片機的芯片價格只有幾十元人民幣，再加上很少的外圍器件，就可以構(gòu)成一臺多功能的控制機構(gòu)。（2）集成度好，體積小，可靠性好 單片機把各種功能不見集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線大大的提高了單片機的可靠性及其抗干擾能力。（3）控制功能強 單片機指令系統(tǒng)、硬件資源豐富，能充分滿足工業(yè)控制的各種要求。（4）低電壓，低功耗。 （5）開發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化 可根據(jù)需要構(gòu)成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。單片機的應用范圍很廣，在社會生產(chǎn)的方方面面都得到了廣泛的應用。（1）工業(yè)自動化 如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)。（2）智能儀器儀表 單片機用于各種儀器儀表，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度等物理的測量。（3）辦公自動化領(lǐng)域 現(xiàn)代的辦公室所使用的大部分現(xiàn)代產(chǎn)品多數(shù)都采用了單片機，如打印機、繪圖儀、復印機等等。（4）日常用品及家用電器領(lǐng)域 從電冰箱、洗衣機、空調(diào)機、數(shù)碼相機及其它視頻音像設備到智能卡、電子寵物等，形形色色，無處不在。（5）通信領(lǐng)域 單片機普遍具有通信接口，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機的智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機再到日常生活中的集群移動通信、限線對講機等。（6）商業(yè)營銷 采用單片機構(gòu)成專用系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用在了電子稱、收款機、條形數(shù)碼閱