【正文】 型計(jì)算特征數(shù)據(jù)KpTnTvKiKdPTvPITcrit5=3Tn=5s=Ki===，=Kd=Kp將常規(guī)PID控制器的參數(shù)作為初始值，用constant模塊輸入。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，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(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的控制回路框圖，主要由基于單片機(jī)的模糊PID控制器、控制部分、被控對象、測量反饋、及干擾組成，如圖41所示?？刂葡到y(tǒng)中負(fù)反饋回路中的測量變送環(huán)節(jié)的測量值和被控變量的設(shè)定值進(jìn)行加法運(yùn)算得到偏差信號，此偏差信號經(jīng)過采樣、濾波，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)和存儲器芯片進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器送給控制閥進(jìn)行控制。圖42 基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的硬件組成基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)是由電源、I/V轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鎖存器、存儲器、顯示與鍵盤、D/A轉(zhuǎn)換器以及V/I轉(zhuǎn)換器等部分組成。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高有效的解決方案。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。對P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。此外，（）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（），具體如下表所示。216。216。l P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個(gè)TTL邏輯電平。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。對P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。端口引腳第二功能：216。216。216。216。此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。該位被置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。l XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。l A、B、C地址線—A為低位地址，C為高位地址，模擬通道的選擇信號，引腳圖中為ADDA、ADDB和ADDC。本信號有時(shí)簡寫為ST。216。通常使用頻率為500kHz的時(shí)鐘信號。 EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 圖47 ADC0809的部分信號連接 圖48 信號的時(shí)間配合OEDI0～DI774LS373OEGALE89S52D7::D0Q7::Q0WREAP0RDALESTART≥≥ADDAADDBADDCQ0Q1Q2CLOCKDCK圖49 AT89S52和ADC0809的接口由于ADC0809無片內(nèi)時(shí)鐘，時(shí)鐘信號可由單片機(jī)的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號/，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。中斷方式：EOC經(jīng)反相器接AT89S52的外部中斷引腳INT1?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換后，CPU調(diào)用該延時(shí)子程序或用定時(shí)器定時(shí)，延時(shí)時(shí)間或定時(shí)時(shí)間稍大于A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換開始之后，CPU就查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，即查詢EOC引腳的狀態(tài)：若它為低電平，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，則MCS51應(yīng)當(dāng)繼續(xù)查詢；若查詢到EOC變?yōu)楦唠娖剑瑒t給OE線送一個(gè)高電平，以便從線上提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。在本設(shè)計(jì)中選用定時(shí)傳送方式。圖410為DAC0832的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號/XFER。l /CS—片選信號（輸入），低電平有效。 當(dāng)ILE=1和/WR1=0時(shí)，為輸入寄存器直通方式；216。該信號與/XFER信號合在一起控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：216。l Iout2—電流輸出“2”；DAC轉(zhuǎn)換器的特性之一是：Iout1＋I(xiàn)out2=常數(shù)。運(yùn)算放大器的接法如圖411所示。l AGND：模擬量地，即模擬電路接地端?！?位DAC寄存器”用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由/LE2控制。具體地說，就是使和都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號ILE處于高電平、處于低電平，這樣，當(dāng)端來一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。本設(shè)計(jì)因沒有固定被控對象，因此先采用單緩沖方式連接，如圖413所示。直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即/CS、/WR/WR/XFER均接地，ILE接高電平。（2）雙緩沖方式。就是使和為低電平，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng)和端輸入1個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器DI7DI0ILECSWR1WR2XFERAGNDRfbIout1Iout2VrefLE2LE1VCCDGND圖412　DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DAC0832和單片機(jī)的接口方式DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，可以采用兩種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖412所示。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。即運(yùn)算放大器的反饋電阻端，電阻已固化在芯片中。 /WR2=1和/XFER=0時(shí)，為DAC寄存器鎖存方式。l /XFER—數(shù)據(jù)傳送控制信號（輸入），低電平有效。l /WR1—第1寫信號（輸入），低電平有效。l IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。1LSB，供電電源為(+5～+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容，與微處理器完全兼容，具有8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。DAC0832是20腳的雙列直插式D/A轉(zhuǎn)換器。（3）中斷方式采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接到單片機(jī)的中斷申請端，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序，使OE引腳變高電平，以提取A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。特點(diǎn)：電路連接簡單，但CPU費(fèi)時(shí)較多。（1）定時(shí)傳送方式對于每種A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，是已知的和固定的。EOC開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平?？刂菩盘枺?，在啟動A/D轉(zhuǎn)換時(shí)。其典型值為＋5V（Vref（＋）＝＋5V，Vref（—）=0V）。216。 OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。D0為最低位，D7為最高位。圖46 ADC0809引腳排列圖表41 選擇的通道C B A選擇的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7l ALE地址鎖存允許信號—對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：l IN0～I(xiàn)N7—模擬量輸入通道信號單極性，電壓范圍05V，若信號過小還需進(jìn)行放大。ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖45所示。FLASH存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。l PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。216。216。216。216。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。216。216。引腳號第二功能：216。對P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。圖43 AT89S52單片機(jī)的引腳圖圖44 AT89S52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)l VCC：電源l GND：地l P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。基于單片機(jī)的PID控制器的設(shè)計(jì)圖如圖42所示。在回路中，設(shè)定值與測量反饋得到的偏差信號送給模糊PID控制器，模糊PID控制器輸出控制信號來調(diào)節(jié)控制閥，進(jìn)而改變被控變量，使偏差信號被控制在很小的范圍內(nèi)，即：使被控變量與設(shè)定值保持一致。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。表36 不同控制的指標(biāo)比較無控制器PID控制器模糊PID控制器最大超調(diào)量σ%%%%調(diào)節(jié)時(shí)間ts實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊PID控制算法過渡調(diào)節(jié)時(shí)間減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快；模糊PID控制器比常規(guī)PID控制器的系統(tǒng)超調(diào)量也明顯減小，控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性能均得到改善，能更好的滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。=，=再通過PID調(diào)整原則，自身親自調(diào)整，Kp、Ki、Kd最終參數(shù)調(diào)整如圖314所示，將Kp、Ki、Kd按整定的參數(shù)設(shè)定后，獲得PID的控制曲線，如圖317所示。5=Tv=TvTcrit圖39 常規(guī)PID控制臨界穩(wěn)定曲線Kpcrit=5；Tcrit=5sKp=Tcrit————PIDKpcrit——然后調(diào)整KP使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩，振蕩時(shí)的KP即為臨界增益KPcrit，振蕩周期即為Tcrit。微分時(shí)間應(yīng)加長。 對于溫度系統(tǒng)：P（%）2060， I（積分）310， D（微分） 對于流量系統(tǒng)：P（%）40100，I（積分） 對于壓力系統(tǒng)：P（%）3070， I（積分） 對于液位系統(tǒng)：P（%）2080， I（積分）15 參數(shù)調(diào)節(jié)口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加。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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。P、I、D參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。微分控制作用實(shí)質(zhì)上跟偏差變化速率有關(guān)。積分控制一般也和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成PD或PID控制。比例系數(shù)大小，又會使系統(tǒng)的動作遲緩。圖35 FIS型文件編輯窗口圖36 建立模糊控制器的規(guī)劃編輯器圖37 輸入變量e的隸屬函數(shù)圖38 輸入變量ec的隸屬函數(shù)圖39 輸出變量Kp的隸屬函數(shù)圖310 輸出變量Ki的隸屬函數(shù)圖311 輸出變量Kd的隸屬函數(shù)在simulink下建立如圖312所示的PID控制器的模塊圖以及模糊PID控制系統(tǒng)的模塊圖。根據(jù)控制規(guī)則表以if...then的形式在Rule Editor窗口輸入控制規(guī)則模糊決策一般采用Mamdani型推理算法，解模糊一般采用重心法（centroid）如圖35所示。在MATLAB命令窗口鍵入fuzzy，就會出現(xiàn)一個(gè)FIS Editor窗口。當(dāng)偏差階躍信號出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。TD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果做出更快速的反應(yīng)。這就是說，在控制器中僅引入“比例項(xiàng)”往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，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)。 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。一個(gè)簡單的比例系統(tǒng)會振蕩，會在預(yù)定值的附近來回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無法消除多余的糾正。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)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(jìn)一步減小，直到等于零。 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。Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。 PID參數(shù)對控制性能的影響 簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存