【正文】 。 PID 控制的局限及解決方法 PID 控制器廣泛應用于冶金、機械、熱工、化工等工業(yè)過程控制中，對于具有線性特性的確定的被控對象，調試整定好 PID 控制器參數(shù)局、局、幾后，便可投入生產運行，具有結構簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其控制原理與控制技術已完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設計工程師們所熟悉等優(yōu)點，在控制理論與自動化技術飛躍發(fā)展的今天，仍有其強大的生命力。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?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。這類系統(tǒng)一般要求沒有超調量或很小超調量，而調節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內結束，顯然這類系統(tǒng)采用一般的 PID 控制，其效果往往不好。 由上面的論述可看出，Smith 預估器的優(yōu)越性在于能將延時部分從過程傳函的閉環(huán)部分中分離出來，與傳統(tǒng)的 PID 控制相比，Smith 預估控制使系統(tǒng)的動作靈敏，過渡過程縮短，超調量減小，很好地改善了系統(tǒng)的性能。而且對于外部擾動也非常敏感，魯棒性較差。 Smith 預估控制概述及其補償原理 被控對象的純滯后時間使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，如果滯后時間較長，則會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了改善系統(tǒng)性能，國內外作過大量的研究工作，最常用的方法是純滯后補償法，即 Smith 預估器。在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然后根據(jù)調節(jié)效果修改。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經過理論計算確定控制器參數(shù)。在噪聲、負載擾動和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過程參數(shù)甚至模型結構均會發(fā)生變化。 (3)算式中不需要累加。因此，式()被稱為 PID 的位置式，是 PID 控制規(guī)律的離散形式。TD 越大，則它抑制。 dteTiKpt?0)(從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。實際運行的經驗和理論的分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的效果。}} 本章小結 本章從主程序和分功能模塊兩方面詳細的介紹了本溫度控制系統(tǒng)的軟件部分，并且在一些模塊中列出了一些編程時的原程序，不方便列出的，便采用了流程圖的方式。相關的軟件編程如下所示：void state(uchar addr,uchar heating)//工作狀態(tài)：1 加熱 , 0 不加熱{if(heating){send_instruc(addr)。圖中的S1, S2, S3和S4代表四個內存單元，其中前三個分別用來存儲本次采樣數(shù)據(jù)，上次采樣數(shù)據(jù)和再一次采樣數(shù)據(jù)，最后一個用來存放濾波后的值。 中值濾波法是指連續(xù)輸入三個采樣值，然后從中選擇一個中間值為有效信號。比如一個低通濾波器，當其截至頻率很低時，便要求濾波器的電阻和電容值很大。//啟動計數(shù)器while(biao)。GATE/C|T/M1/M0)=00001101:GATE由TRx和INTX共同控制工作方式為1TH0=0。AD7135_value_h=TH0。//btl=9600TI = 0。LCMwritedate(0x00)。格式 ASCII : ESC k n 顯示字符集10進制 : 27 107 n16進制 : 1B 6B n本指令主要在終端調試時使用，對于普通型終端可顯示字符集1 , 2 , 3 , 4的字符和漢字.對于全漢字的終端也可顯示1 87區(qū)的國標漢字。現(xiàn)把最常用的控制格式列到下面:格式 ASCII : ESC 初始化10進制 : 27 6416進制 : 1B 40終端收到本命令后 , 將進行以下設置:1 : 字間距=0 , 行間距=0 2 : 水平方向不放大 , 垂直方向不放大。關于PID控制方面的算法等問題則在后面幾章進行闡述。如果BUSY=1(TTL高電平)，表示終端正在處理數(shù)據(jù),不能接收串行數(shù)據(jù),用戶系統(tǒng)應該等待或執(zhí)行其它程序；如果BUSY=0(TTL低電平)，這時用戶系統(tǒng)可以通過DATA端向終端發(fā)送數(shù)據(jù)。 LCD 液晶顯示LCD 液晶顯示屏外觀如下圖所示：本系統(tǒng)顯示部分采用 LCD 液晶顯示屏，第一它可以直觀的顯示漢字，方便操作人員操作，第二采用液晶屏的優(yōu)點再于它的耗電量比較小，能夠山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計21減小系統(tǒng)的功耗。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，其基本原理如下。矩陣式鍵盤的結構與工作原理：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖 1 所示。這使 SSR 在數(shù)控和自控設備等方面得到廣泛應用。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專業(yè)光電耦合器。二是在下降邊沿對單片機產生中斷。山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計14 7135 接口電路一般接口電路如下圖所示：這種接線方法占用單片機的口線多，并且軟件編程復雜，因此我們放棄了這種一般接線方法，而采用了特殊接線方法。D1 到 D5 是顯示器位掃描信號,每位對應 200 個時鐘周期。熱電偶斷線報警功能1 ℃和177。可以直接測量各種生產過程中氣體、液體、熔液及固體表面的溫度。X25045 簡介：山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計1025045 是 Xicor 公司生產的二線制串行快擦寫存儲器。當干擾已產生并影響了單片機的正常運行后，看門狗定時器才起作用。AT89C52 片機適合于許多較為復雜控制應用場合。由于熱電偶在工作時必須與放大器和補償電路一起使用，因此我們選擇了同時具有放大作用和冷端補償作用的AD595 與熱電偶相結合構成精密測溫電路，這樣便可實現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的采集。為了避免干擾信號的侵入，也應采取相應的措施。(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)。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。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。 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。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。(3) 焊接時間的設置 焊接時間的設置范圍及方式與加熱時間的設置相同。(2) 電磁閥的動作時間電磁閥的動作時間為 400ms 左右。而對于塑焊機的控制系統(tǒng)而言，最常見的控制方法有兩種：一種是用 PLC 控制，另外一種是用單片機設計控制器。通過 SIMULINK 仿真后求出了 P、I、D 三個參數(shù)，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定，達到了我們的控制要求。在硬件電路的基礎上，進行了控制系統(tǒng)的軟件設計。由于微控制器體積小、功能強、可靠性高、糾錯能力好、性價比高，現(xiàn)代工業(yè)控制趨向于使用微控制器對各種設備進行控制。 塑焊機簡介塑焊機是用來加工塑料門窗等塑料板材的機器。(4) 顯示器采用的形式溫度顯示的形式為 LCD 顯示。(5) 聯(lián)動方式的設置 聯(lián)動方式的設置通過單動開關完成。PID 控制，實際中也有 PI 和 PD控制。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。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。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。該控制系統(tǒng)的特點主要有兩點：（1）控制的精度要求較高。設定溫度、當時溫度和不同路數(shù)的表示等都應該在 LCD 有所顯示。在溫度的控制環(huán)節(jié)中，單片機對采集來的數(shù)據(jù)進行一定的處理后，通過 PID 算法對溫度信號實現(xiàn)控制。 看門狗模塊塑料焊接機的工作現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，有電磁閥、繼電器等強電干擾設備。在干擾消失后，電源電壓恢復正常，看門狗電路才撤消復位信號，單片機在復位后重新開始運行。并且具有低 Vcc 檢測、時鐘速率高、功耗低、電源電壓寬、可靠性高等特點。2℃(7001000℃)分辨率：℃工作電壓：~尺寸：423816mm 放大補償電路熱電偶負極熱電偶 K1熱電偶 K1熱電偶 K1熱電偶 K1CD4051 AD595熱電偶正極圖 溫度檢測模塊原理圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計12隨著集成電路的發(fā)展，越來越多的芯片隨著體積的不斷減小，而其功能反而越來越強大，并且價格也越來越便宜。低阻抗電壓輸出:10mV/ ℃差動輸入可抑制熱電偶引線上的共模噪聲電壓由于熱電偶的輸出電勢與溫度成非線性關系, 下列轉換函數(shù)將決定芯片的實際輸出電壓:AD595 輸出= ( K 型熱電勢+ 11μV) 247. 3AD595 應用電路連接：圖 AD595 應用接線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計13 AD 轉換模塊由于本系統(tǒng)采集的是溫度信號，一般而言，溫度信號都比較微弱，并且對于溫控系統(tǒng)而言，最重要的往往是溫度的控制精度問題，因此，我們在選用 AD 轉換模塊時，應該選擇轉換高、抗干擾能力強，最好價格低廉的 AD 轉換芯片。除此之外還有極性信號 POL 、超量程信號 OVER、欠量程信號 UNDER。這里介紹的 ICL7135 與單片機接口的簡易方法，是利用 7135 的“BUSY”端，只需占用單片機 89C51 的一個 I/O 口和內部的一個定時器，就可以在十幾微秒的中斷服務程序中把 ICL7135 的 A/D 轉換值送入單片機內。因此可得我們下圖所示的 7135 與單片機的特殊接線電路：又圖 7135busy 信號與積分過程關系圖圖 X25045 與單片機接線圖山東科技大學學士學位論文 塑焊機溫度控制系統(tǒng)的硬件設計16由于 7135 工作的時鐘周期大約在 500HZ，因此我們還要經過特殊的電路來構設分頻，以滿足 7135 的正常工作。其封裝形式也與傳統(tǒng)電磁繼電器基本相同。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。而從控制板上輸出信號為 TTL 信號，因而需要進行驅動。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。根據(jù)價格和性能我們選擇了北京金創(chuàng)業(yè)有限公司的 KYD29X 液晶顯示模塊。如果您的系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)輸出端已被占用 , 或者沒有串行接口,也可使用任意一個單片機輸出引腳 , 通過軟件模擬發(fā)出串行數(shù)據(jù)。不過C語言最大的缺點便是其控制精度不如匯編準確，并且比如延時和串行通信等對時序要求比較嚴格的地方用C編程起來就顯得比較復雜，因此我們采用了在適當位置用匯編與C相結合的方法來實現(xiàn)各種功能，這樣既能用到C語言的控制的簡潔性，又能用到匯編的準確性，可以說是一舉雙得。例:需要初始化操作時將以下數(shù)據(jù)發(fā)往終端即可(16進制): 1B 40。}/**************初始化LCM***********/void LCDreset(){LCMbusy()。LCMbusy()。TR1 = 1。TL0=0。while(AD7135_busy!=1)。 (3)使用靈活，修改方便。另外，有些濾波方法用硬件實現(xiàn)很困難，但用數(shù)字濾波就比較容易，山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的軟件設計33程序判斷濾波就是一個例子。這種方法是將N次采樣值先按大小順序排列，然后去掉最大值和最小值，對剩下的取算術平均值。只要使u (k)輸出與電熱絲通電時間成正比，即可實現(xiàn)加熱功率的連續(xù)調節(jié)。send_data(0x0f)?？刂茖ο鬄殡娂訜岚澹斎霝榧釉陔姞t兩端的電壓信號，輸出為電爐內的溫度。它是最廣泛應用的一種控制器。積分時間 Ti 對積分部分的作用影響極大。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。 ()????? )]2()1([)()1()( keKdkeikKpeku最后求得 為下式：? ())(2)()(0)(?keqkeqk 采用增量式算法時，計算機輸出的控制量△u (k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量。溢出的影響大。為克服常規(guī) PID 控制的不足，提高其適應能力，一種途徑是改善 PID參數(shù)的自整定問題，如在線辨識過程模型，根據(jù)辨識模型來整定 PID 參數(shù)的自校正 PID 控制器。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。根據(jù)臨界比例法，先給系統(tǒng)加一個階躍輸入，然后調整 Kp 值直到系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩，求得如下參數(shù)：Kp’==1/Kp=1/?然后根據(jù)下面的經驗表格求得 Kp,Ki,Kd:Kp Ki KdPID ? 2KpKp=Ki=Kd= SMITH 預估控制在電爐溫度控制等生產過程中，被控對象一般都有純滯后特性，而且對象的純滯后很大。補償器的傳遞函數(shù) Gg(s)為： ())1)(2esGp?則，補償后的傳遞函數(shù)變?yōu)?D’(s)，既 ()))(