【文章內(nèi)容簡介】 (3)光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其 響 應(yīng)延遲時(shí)間只有 10μS 左右，適于對 響 應(yīng)速度要求很高的場合。 光電隔離技術(shù)的應(yīng)用 （ 1）微機(jī)介面電路中的光電隔離 微機(jī)有 多個(gè)輸入 端 ，接收來自遠(yuǎn)處現(xiàn)場設(shè)備傳來的狀態(tài)信號，微機(jī)對這些信號處理后，輸出各種控制信號去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的雜王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 8 訊干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因而，可在微機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作介面，對信號及雜訊進(jìn)行隔離。 （ 2）功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的 I／O輸出，而 I／ O的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施 。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。 3）遠(yuǎn)距離的隔離傳送 在電腦應(yīng)用系統(tǒng)中，由于測控系統(tǒng)與被測和被控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號發(fā)生畸變或失真；另外，在通過較長電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差，導(dǎo)致地環(huán)路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸?shù)目煽啃裕刹捎霉怆婑詈细綦x措施，將 2 個(gè)電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的 環(huán)路，使他們相互獨(dú)立，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重，可通過兩級光電耦合器將長線完全 “浮置 ”起來。 光耦器件 MOC3040 由于單片機(jī)是弱點(diǎn)，而電加熱器是強(qiáng)電，所以用光耦合很好的解決了強(qiáng)弱電隔離的問題， 在本設(shè)計(jì)中采用了一種比較常用的光耦器件 MOC3040，其在本設(shè)計(jì)中的連接電路如圖 所示： 圖 光耦合 連接電路 可控硅簡介 西安外事學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 可控硅分為單向的和雙向的 兩種 ,符號也不同 .單向可控硅有三個(gè) PN結(jié) ,由最外 層的P 極和 N極引出兩個(gè)電極 ,分別稱為陽極和陰極 ,由中間的 P 極引出一個(gè)控制極 . (1)單向可控硅 單向可控硅 的基本應(yīng)用電路如圖 所示。 當(dāng) Uak0 時(shí)，若 Ugk0，可控硅不導(dǎo)通； 當(dāng) Uak0 時(shí)，若 Ugk0，可控硅導(dǎo)通； 當(dāng) Uak0 時(shí)，不論 Ugk為何值，可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)， Iak=0。 圖 單向可控硅應(yīng)用電路 通過對單向可控硅的技術(shù)分析，可歸納出如下特點(diǎn)： 1）可控硅的導(dǎo)通條件是在陽極 A與陰極 K之間加有正向電壓情況下，在門極 G與陰極 K之間加上一個(gè)正向脈沖信號，形成門極電流， 此電流將觸發(fā)可控硅進(jìn)入自鎖的導(dǎo)通狀態(tài)。 2）門極 G無法控制可控硅 (2)雙向可控硅 雙向可控硅 相當(dāng)于兩個(gè)單向 引腳多數(shù)是按 T T G的順序從左至右排列 (電極引腳向下 ,面對有字符的一面時(shí) ).加在控制極 G上的觸發(fā)脈沖的大小或時(shí)間改變時(shí) ,就能改變其導(dǎo)通電流的大小 . 與單向可控硅的區(qū)別是 ,雙向可控硅 G極上觸發(fā)脈沖的極性改變時(shí) ,其導(dǎo)通方向就隨著極性的變化而改變 ,從 而能夠控制交流電負(fù)載 .而單向可控硅經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)?,所以可控硅有單雙向之分 . 電子制作中常用可控硅 ,單向的有 MCR100 等 ,雙向的有 TLC336 等 王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 10 可控硅 的工作條件： 1. 可控硅 承受反向陽極電壓時(shí)，不管門極承受 哪 種電壓， 可控硅 都處于關(guān) 斷 狀態(tài)。 2. 可控硅 承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下 可控硅 才導(dǎo)通。 3. 可控硅 在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何， 可控硅 保持導(dǎo)通，即 可控硅 導(dǎo)通后，門極失去作用。 4. 可控硅 在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)， 可控硅 關(guān)斷。注意 可控硅 是半控件，關(guān)斷不由門極控制，而只當(dāng)主電流接近零時(shí)才能關(guān)斷。 （ 3）雙向可控硅在本設(shè)計(jì)中的電路連接圖 如圖 所示。 圖 可控硅連接電路 2 PID 算法 PID 算法簡介 在過程控制中，按偏差的比例 P(Proportional)、積分 I（ Integral） 和微分 D（ Differential） 進(jìn)行控制的 PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn) 。 數(shù)字 PID算法分為置位式和增量式兩種。當(dāng)執(zhí)行需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量時(shí)，需要用 PID的“增量算法”。如圖 所示： 西安外事學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 增量式 PID控制算法 增量式 PID 控制算法可以通過 21式推導(dǎo)出。由 21 可以得到控制器的第 k1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為式 22： ?????? ???? ? ? ?kj kkdkikpk T eeTeTTeKu 0 1 式 21 ?????? ???? ? ?? ???? 10 2111 kj kkdkikpk T eeTeTTeKu 式 22 將式 51 與式 52 相減并整理，就可以得到增量式 PID 控制算法公式為： 212121112112?????????????????? ??????????????????? ?????????kkkkdpkdpkdipkkkdkikkpkkkCeBeAeeTTKeTTKeTTTTKTeeeTeTTeeKuuu 式 23 其中 ???????? ??? TTTTKA dip 1 ?????? ?? TTKB dP 21 TTKC dp? 由式 53 可以看出，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定 的采樣周期 T，一旦確定 A、B、 C， 只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由式 53 求出控制量。 增量式 PID 控制算法與位置式 PID 算法 51 相比，計(jì)算量小得多，因此實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。 位置式 PID 控制算法也可以通過增量式控制算法推出遞推計(jì)算公式： kkk uuu ??? ?1 式 24 式 24就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推 PID 控制算法。 PID 算法 可控硅 受控對象 r + e ?u u y 王阿東：電加熱器溫度的數(shù)字 PID控制 12 P 對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小 ； P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長； P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定； P 太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。 P 可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對象的特性來決定的。如果 P得符號選擇不當(dāng)對象測量值就會(huì)離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況 P的符號就一定要取反。 I 對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， I?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 D 對系統(tǒng)性能的影響：微分作 用可以改善動(dòng)態(tài)特性， D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短； D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長；只有 D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID 算法的程序設(shè)計(jì) 要編寫一個(gè)已知算法的單片機(jī)程序，首先要考慮的就是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式了。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)的控制精度，以及 PID 算法的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。本系統(tǒng)從一開始的設(shè)計(jì)思路就是盡可能高的提高系統(tǒng)的控制精度。要提高系統(tǒng)的控制精度，在計(jì)算過程中僅取整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)是不夠的，所以本設(shè)計(jì)采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。對于STC89C52 單片機(jī)而言，有足夠的內(nèi)存去存儲(chǔ) 和處理這些數(shù)據(jù)。另外，為了使程序的參數(shù)修改方便，更易于應(yīng)用到其他 PID控制系統(tǒng)中去，在一開始的參數(shù)賦值程序中，參數(shù)是以十進(jìn)制 BCD 碼浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)的，參數(shù)賦值完成后，緊接著就是對參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)的歸一化處理。這些工作在系統(tǒng)啟動(dòng)后迅速就完成了，之后 PID 控制器只進(jìn)行PID 核心控制算法的計(jì)算。 PID 算法的程序框圖如圖 所示算法。 由于本設(shè)計(jì)中主要用到增量式 PID 控制算法，所以在此我們只對增量式 PID 算法的程序?qū)崿F(xiàn)做介紹。 增量式 PID 算式為 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121 ?????????? kEkEkEKkEKkEkEKkP DIP 式 25 設(shè) ? ? ? ? ? ?? ?1??? kEkEKKP PP ? ? ? ?kEKkP II ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?212 ????? kEkEkEKP DkD 則有 ? ? ? ? ? ? ? ?kPkPkPkP DIP ??? 西安外事學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 開 開P I D 參 數(shù) 初 始 化取 設(shè) 定 值 r ( t ) 與 測量 值 e ( t )計(jì) 算 偏 差E ( k ) = r ( t ) e ( t )P p ( k ) = K p * [ E ( k ) E ( k 1 ) ]P i ( k ) = K i * E ( k )P d ( k ) = K d [ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]U ( k ) = P p ( k ) + P i ( k )+ P d ( k )E ( k 1 ) = E ( k 2 )E ( k ) = E ( k 1 )返 回 圖 PID 增量式程序流程圖 PID 算法參數(shù)整定方法 三個(gè)基本參數(shù) Kp、 Ki、 Kd在實(shí)際控制中的作用： 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差，屬于“即時(shí)”型調(diào)節(jié)控制。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無誤差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值，屬于“歷史 積累”型調(diào)節(jié)控制。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差的變化趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，以被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此屬于“超前或未來”型調(diào)節(jié)控制。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減