【文章內(nèi)容簡介】 平還是存在一定差距的。目前國內(nèi)設(shè)計者已經(jīng)高度重視這一塊，針對智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開發(fā)也進(jìn)入高度發(fā)展時期，相信可以很快改變這一現(xiàn)狀。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 3 課題提出的意義 智能 調(diào)節(jié)器是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常見的控制儀表之一，與傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器相比，智能 調(diào)節(jié)器應(yīng)用了微處理機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，具有信息存儲、邏輯判斷、精確、快速計算等特點。雖然隨著 DCS 系統(tǒng)在我國的迅速發(fā)展，給智能 調(diào)節(jié)器的應(yīng)用帶來了一定的沖擊，但是昂貴的 DCS 系統(tǒng)對于那些規(guī)模不大、自動化程度不高的企業(yè)來說性價比并不高。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器的功能不斷完善， DCS 系 統(tǒng)的各項功能己經(jīng)可以用通用微型計算機(jī)加數(shù)字調(diào)節(jié)器的組合來實現(xiàn)。因此設(shè)計一款顯示直觀、控制精度高、物美價廉 的數(shù)字調(diào)節(jié)器對于那些中小型企業(yè)來說是十分有意義的。 隨著微電子和微處理器的迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)節(jié)器的功能也在不斷增強(qiáng)，但同時控制系統(tǒng)對儀表的要求也越來越高。不僅要求數(shù)字調(diào)節(jié)器有較高的可靠性，較多的功能，還需能做各種控制運(yùn)算，能與其它測控設(shè)備通信共同實現(xiàn)復(fù)雜控制。因而傳統(tǒng)的 8/16 位單片機(jī)漸漸顯現(xiàn)出軟硬件資源不足的問題。嵌入式系統(tǒng)是一種軟硬件可擴(kuò)充或刪減的專業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)，它以面向應(yīng)用為主，是將計算機(jī)技術(shù)，半導(dǎo)體 技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。相對于傳統(tǒng)的 8/16 單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)具有速度高、容量大、擴(kuò)充性能良好，實時性好，并可執(zhí)行多任務(wù)操作系統(tǒng)的特點。而 AVR[3]體系結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)是業(yè)界領(lǐng)先的 8 位 嵌入式 RISC 微處理結(jié)構(gòu)。在 AVR 嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計智能數(shù)字調(diào)節(jié)器，具有功耗小，功能完備、精度高、速度快、存儲容量大和功能可擴(kuò)展的特點。 目前測控自動化系統(tǒng)還多采用 RS485 總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 RS485 總線具有形式簡單、造價低等優(yōu)點，但隨著科技的發(fā)展， RS485 總線的總線效率低、系統(tǒng)實時性差、通信可靠性低、單總線可掛接節(jié)點少等缺點慢慢地暴露出來，給用戶帶來極大的不便。 AVR 單片機(jī)內(nèi)含有 1 個可編程的異步 串行 USART接口，主 /從 SPI 串行接口，雙線 CI2串行接口，是增強(qiáng)型的高速同 /異步串行通信，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢錯和校驗幀錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串行接口能力大大超過 MCS51/96 單片機(jī)的串行接口，加之 AVR 單片機(jī)速度高 、中斷響應(yīng)時間短，故可實現(xiàn)高波特率通信。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 4 本 設(shè)計 的主要內(nèi)容 本文在深入研究國內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)展現(xiàn)狀及其工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工業(yè)需要 ，設(shè)計了這款應(yīng)用 8 位 AVR 芯片作為中央處理器 ； 采用穩(wěn)定可靠的總線 系統(tǒng) 保證調(diào)節(jié) 器通信的可靠性和高速實時性 ； 利用源代碼開放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動豐富的C51 作為軟件開發(fā)平臺 ； 同時為提高數(shù)字控制器對各種大慣性、純滯后等對象的控 制效果，采用了 數(shù)字式 PID 增量 控制算法 的智能 調(diào)節(jié)器 。該設(shè)計的智能 數(shù)字 調(diào)節(jié)器除了具有一般調(diào)節(jié)器的功能（調(diào)節(jié)、顯示、 PID 運(yùn)算等）外，還具有自診斷 和報警 、抗積分飽和 、時鐘顯示、完善的通信 等 功能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 5 第二章 總體方案設(shè)計 一般的控制器或控制設(shè)備均具有顯示和調(diào)節(jié)功能，即實測量的顯示功能和電位器調(diào)節(jié)設(shè)備功能。電位器作為一種模擬器件，具有連續(xù)調(diào)節(jié)能力，但容易出現(xiàn)接觸不良的問題，而且數(shù)字化發(fā)展方向 不 吻合。目前雖有數(shù)字電位器可供選用，但分辨率普遍較低，抽頭數(shù)最高的如 XICOR 公司的 X9110，只有 1024 個抽頭，即 1024 級，不能適應(yīng)某種特殊要求。數(shù)字化調(diào)節(jié)器的研究正是基于這種背景。該數(shù)字化調(diào) 節(jié)器具有顯示和調(diào)節(jié)功能，而且是按鍵操作，克服了電位器旋鈕不能密封的固有缺陷，可廣泛應(yīng)用于電位器調(diào)節(jié)的應(yīng)用場合。 數(shù)字化調(diào)節(jié)器的主要功能是調(diào)節(jié)和顯示，具體設(shè)計要求如下： 1．調(diào)節(jié)功能 具有電壓和電流兩種調(diào)節(jié)方式。 2．顯示功能 同時顯示實測值和調(diào)節(jié)設(shè)定值；采用數(shù)碼管顯示，能適應(yīng)不同的照明環(huán)境要求； 8位顯示，前 4 位是 實測值 ，后 4 位是 設(shè)定值 ，各自的首位用面板文字 “ 電壓 ” 或 “ 電流 ”的指示燈表示電壓或電流，用 “ 電壓細(xì)步 ”或 “ 電流細(xì)步 ” 的指示燈表示目前為細(xì)分設(shè)定狀態(tài)。 本設(shè)計中所設(shè)計的 智 能調(diào)節(jié)器除了具有一般的調(diào)節(jié)和顯示 功能外，還具有自診斷和報警、抗積分飽和、時鐘顯示、完善的通信等功能。其硬件 大致由以下部分組成： CPU、A/D 轉(zhuǎn)換 、 D/A 轉(zhuǎn)換 、鍵盤 電路 、數(shù)碼管顯示、 MAX232 通信 電路 、報警電路以及 V/I轉(zhuǎn)換電路 。 如 圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 6 電 源 模 塊A T m e g a 8輸 出 模 塊 （ D / A ）數(shù) 碼 管 顯 示 模 塊M A X 2 3 2 通 信 模 塊復(fù) 位 模 塊輸 入 模 塊 ( A / D )鍵 盤 模 塊報 警 電 路圖 2 . 1 硬 件 系 統(tǒng) 設(shè) 計 框 圖 調(diào)節(jié)器的控制算法 在調(diào)節(jié)器的設(shè)計與工作過程中，調(diào)節(jié)器的控制算法起著至關(guān)重要的作用 。 調(diào)節(jié)器 控制 理論 [23]經(jīng)歷了古典控制理論 、 現(xiàn)代控制 理論 、智能控制 理論 ， 古典 控制算法又包括模擬 PID 算法和數(shù)字式 PID 算法； 現(xiàn)代控制算法包括最優(yōu)控 制、隨機(jī)控制、 自 適應(yīng)控制等；智能 控制算法包括模糊 控制 、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、仿人智能控制、遺傳算法等 。PID 控制算法 是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法 簡單、魯棒性好和可靠性高 ，被廣泛用于過程控制和運(yùn)動控制中。數(shù)字式 PID 控制算法是將模擬 PID 離散化得到，各參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便。 經(jīng)典 PID 算法 在連續(xù) — 時間控制系統(tǒng)中， PID 控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中， PID 控制算法的模擬 表達(dá)式 [12]為： ? ? ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKtu t DIp)()(1)(0 式 （ ） 式中， ??tu 為調(diào)節(jié)器的輸出信號； )(te 為偏差信號，它等于給定量與輸出量之差； pK為比例系數(shù)； IT 為積分時間常數(shù)； DT 為微分時間常數(shù)。 其控制框圖如圖 所示 ： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 7 P I D控 制 對 象+－r ( t )e ( t ) u ( t )y ( t )圖 2 . 2 P I D 控 制 簡 化 示 意 圖 PID 控制器是一種線性控制器，輸出量 ??ty 和給定量 ??tr 之間的誤差是時間的函數(shù)。 ? ? ? ? ? ?tytrte ?? 式 （ ） 由比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量 ??tu ，這種控制方式具有上述三種控制方式，因而被稱為比例 (Proportional)、積分 (Integrating)，微分 (Differentiation)控制，簡稱 PID 控制。在 實際應(yīng)用中，根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，可以靈活地采用不 同的控制組合，構(gòu)成比例 (P)控制器、比例積分 (PI)控制器、比例微分 (PD)控制器或是比 例積分微 分 (PID)控制器。 比例控制能夠迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制 不 能徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差。隨著比例放大系數(shù)的加大，系統(tǒng)會逐漸變得 不 穩(wěn)定，因此需要進(jìn)行積分控制。積分控制的作用是，當(dāng)系統(tǒng)存在誤差時，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差，只要有充分的時間，積分控制 就 能夠完全消除誤差，從而消除穩(wěn) 態(tài)誤差。但是積分作用太強(qiáng)會引起系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時又需要引入微分控制。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。應(yīng)用 PID 控制，就是根據(jù)具體情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù) pK ，積分時間 IT ,和微分時間 DT ，使整個控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果。 數(shù)字式 PID 算法 在數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制器是通過計算機(jī) PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。連續(xù)的時間信號，必須經(jīng)過離散化后，變成數(shù)字量， 才能用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲。在數(shù)字計算機(jī)中，計算和處理積分、 微分時，只能用數(shù)值計算去逼近。因此在數(shù)字計算機(jī)中PID 控制規(guī)律的實現(xiàn)也必須用數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID 算法離散化，將描述連續(xù)一時間 PID 算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散一時間 PID 算法的差分方程。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??? ?????? kj DIP ukekeKjEKkeKku 0 01 式 （ ) 式中 0u 是控制量的基 值，即穩(wěn)態(tài)時 PID 控制器的輸出值； ??ku 是第 k 次 采樣時刻的控制， pK 為比例放大系數(shù) ， IK 為積分放大系數(shù)， ISPI TTKK /? ， DK 為微分放大系數(shù)，SDPD TTKK /? ， ST 為采樣周期。 式 （ ） 稱為位置式 PID 制算法。由位置式 PID 控制算法推導(dǎo)出 ： ? ? ? ? ? ? ? ?21 210 ?????? keqkeqkeqku 式 （ ） 其中， ?????? ???SDISP TTTTKq 10 式 （ ） ?????? ??? SDP TTKq 211 式 （ ） SDP TTKq ?2 式 （ ） 公式 ()稱為增量式 PID 控制算 法，從該表達(dá)式已經(jīng)看 不 出 P、 I、 D 作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式 ()看出，數(shù)字增量式 PID 算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值 ??ke 、 ? ?1?ke 、 ? ?2?ke 即可當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的 不 是控制量的絕對值，而是控制量的增量時，該算法可以起到很好的控制效果。 本設(shè)計中就是采用了增量式數(shù)字 PID 算法。 因為增量式數(shù)字 PID 有很多優(yōu)點： （ 1）由于計算機(jī)輸出 的 是增量，所以誤動作影響小，必 要時可用邏輯判斷的方法去掉；（ 2）在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使計算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動 /自動地?zé)o擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。而增量設(shè)計只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量算法易于實現(xiàn) 手動 /自動的無擾動切換；（ 3）不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 數(shù)字 PID 采樣周期的選擇 [24] 1．選擇采樣周期的重要性 采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期 縮短時，頻繁的采樣必然會占用較多的計內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 9 算工作時間，同時也會增加計算機(jī)的計算負(fù)擔(dān)，而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。 2．選擇采樣周期的原則 ―― 采樣定理 最大采樣周期 maxmax 21fT ? 式 （ ）式中 maxf 為信號頻率組分中最高頻率分量。 3. 選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素 （ 1） 給定值的變化頻率 加到被 控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產(chǎn)生大的時延。 （ 2） 被控對象的特性 ① 考慮對象變化的緩急，若對象是慢速的熱工或化工對象時， T 一般取得較大。在對象變化較快的場合， T 應(yīng)取得較小。 ② 考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。 （ 3） 使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 ① 采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機(jī)計算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào) 節(jié)作用因此而減弱。 ② 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。 （ 4） 控制的回路數(shù) 要求控制的回路 越 多時，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間來完成?？刂频幕芈窋?shù) n 與采樣周期 T 有如下關(guān)系： ??? nj jTT 1 式 （ ） 式中， jT 是第 j 個回路控制程序的執(zhí)行